专利名称：一种具有双向识别功能的高精度时差捕捉与测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及高精度时差测量，尤其涉及一种具有双向识别功能的高精度时差捕捉与测量装置，该装置适用于时差式超声波流速测量领域。
背景技术：
在时差式超声波流速测量系统中，需要精确测量超声波在管道中的正程与逆程的传播时间差，才能计算出流速。根据管道长度与流速测量范围的不同，传播时间差范围通常为3ns--4Us，因此只有进行高精度的时间测量，才能保证流量计产品精度符合国家标准要求。目前，在超声波流速测量产品中，大多采用德国ACAM公司生产的TDC-GP2高分辨率时钟芯片进行时间计量。这种芯片由数字时差转换电路、温度测量电路、运算电路、控制电路、时钟电路、SPI接口电路、脉冲发生电路构成。显然该芯片没有集成模拟比较器，所以没有输入信号处理机制，系统需要外加信处理电路对输入信号进行处理；测量仪器的设计中，MCU控制处理单元通常集成了 A/D采样转换、时钟电路、SPI接口等功能，采用时钟芯片使得MCU的功能不能充分利用；同时这种芯片价格昂贵，所占成本比例较大，在大批量生产中不利于降低成本。

发明内容
为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种具有双向识别功能的高精度时差捕捉与测量装置。所述技术方案如下一种具有双向识别功能的高精度时差捕捉与测量装置，所述装置包括模拟比较器、双向鉴相电路、MCU控制处理单元及At/AU积分转换器；所述；模拟比较器，用于将输入的超声波回波信号整形为方波信号，并将所述信号接入所述双向鉴相电路输送到MCU控制处理单元；MCU控制处理单元；通过设置的标准时间信号产生模块产生标准延迟信号，并将所述标准延迟信号作为鉴相基准接入双向鉴相电路；双向鉴相电路；将所述方波信号与所述标准标准延时信号进行相位判断，得到时间段信号；Λ t/ Λ U积分转换器；将时间段信号转换为电压信号，并将所述电压信号通过MCU控制处理单元中的A/D转换模块变成数字量。本发明提供的技术方案的有益效果是能对超声回波信号进行处理，充分利用MCU控制处理单元内置功能，器件利用率高、易实现高精度测量、结构简单、生产成本低。


图I是本发明电路原理结构示意图；图2是模拟比较器电路原理示意图3是双向鉴相器电路原理不意图；图4是At/A U积分转换器电路原理示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述如图I所示，展示了具有双向识别功能的高精度时差捕捉与测量装置结构，包括模拟比较器I、双向鉴相电路2、MCU控制处理单元7及At/A U积分转换器4 ;所述； 模拟比较器，用于将输入的超声波回波信号整形为方波信号，并将所述信号接入所述双向鉴相电路输送到MCU控制处理单元；MCU控制处理单元；通过设置的标准时间信号产生模块3产生标准延迟信号，并将所述标准延迟信号作为鉴相基准接入双向鉴相电路；双向鉴相电路；将所述方波信号与所述标准标准延时信号进行相位判断，得到时间段信号；At/AU积分转换器；将时间段信号转换为电压信号，并将所述电压信号通过MCU控制处理单元中的A/D转换模块5变成数字量。上述MCU控制处理单元还用于对所述数字量进行计算，并由串行通信接口模块6输出。如图2所示，为模拟比较器电路原理示意图，模拟比较电路包括电阻Rtl、电阻R1、电阻r2、电容Ctl和模拟比较器U。，模拟比较器的信号输入端由比较器U0的同相输入端接入，同时经电阻Rtl和电阻R1组成的积分电路接入U0的反向输入端，将输入的超声波回波信号整形为方波信号经输出端OUT输出。如图3所示，为双向鉴相器电路原理示意图，双向鉴相器包括D锁存器Up D锁存器U2、与门U3或非门U4,经所述模拟比较器整形后的方波信号signal-plus输入D锁存器U1的CLK端，标准延时信号模块中的标准延时信号输入D锁存器U2的R 端和与非门U3的输入端，所述与非门U3的输出端接入MCU控制处理单元，或非门U4输出端接At/A U积分转换器的高速开关SpS2的控制电路。ECHO与DELAY端接入的信号的相位先后状态由与非门U3的输出端Sign-bit端口接入MCU控制处理单元作为正反向识别标志，时间差由或非门U4输出端Time-Period至At/A U积分转换电路。如图4所示，At/A U积分转换器包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、高速开关S0, S1, S2和运算放大器U5，所述运算放大器U5的同相输入端连接参考电压，输出端连接A/D转换模块。参考电压接入运算放大器的同相输入端，高速开关Stl, S1, S2受MCU控制处理单元控制和时差信号Time-Period控制，实现对电容C1进行放电和充电，并通过选取不同的电阻R4、电阻R5值，实现不同的积分电流，从而实现大小量程的切换。积分电压输出至MCU控制处理单元中的A/D转换模块，进行A/D转换，并通过MCU控制处理单元将A/D转换得到的数据量与双向鉴相电路输出的符号进行运算，得到时间差的具体大小。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种具有双向识别功能的高精度时差捕捉与测量装置，其特征在于，所述装置包括模拟比较器、双向鉴相电路、MCU控制处理单元及At/AU积分转换器；所述； 模拟比较器，用于将输入的超声波回波信号整形为方波信号，并将所述信号接入所述双向鉴相电路输送到MCU控制处理单元； MCU控制处理单元；通过设置的标准时间信号产生模块产生标准延迟信号，并将所述标准延迟信号作为鉴相基准接入双向鉴相电路； 双向鉴相电路；将所述方波信号与所述标准标准延时信号进行相位判断，得到时间段信号; At/AU积分转换器；将时间段信号转换为电压信号，并将所述电压信号通过MCU控制 处理单元中的A/D转换模块变成数字量。
2.根据权利要求I所述的具有双向识别功能的高精度时差捕捉与测量装置，其特征在于，所述MCU控制处理单元还用于对所述数字量进行计算，并由串行通信接口模块输出。
3.根据权利要求I所述的具有双向识别功能的高精度时差捕捉与测量装置，其特征在于，所述双向鉴相电路与所述MCU控制处理单元中的标准延迟信号生成模块相连；所述At/AU积分转换器与所述MCU控制处理单元中的A/D转换模块相连。
4.根据权利要求I所述的具有双向识别功能的高精度时差捕捉与测量装置，其特征在于，所述模拟比较器包括电阻Ro、电阻Rp电阻R2、电容Ctl和模拟比较器U。，模拟比较器的信号输入端由比较器U0的同相输入端接入，同时经电阻Rtl和电阻R1组成的积分电路接入Utl的反向输入端，将输入的超声波回波信号整形为方波信号经输出端OUT输出。
5.根据权利要求I所述的具有双向识别功能的高精度时差捕捉与测量装置，其特征在于，所述双向鉴相电路包括D锁存器Up D锁存器U2、与门U3或非门U4，经所述模拟比较器整形后的方波信号signal-plus输入D锁存器U1的CLK端,标准延时信号模块中的标准延时信号输入D锁存器U2的R 端和与门U3的输入端，所述与门U3的输出端接入MCU控制处理单元，或非门U4输出端接At/AU积分转换器的高速开关Sp S2的控制电路。
6.根据权利要求I所述的具有双向识别功能的高精度时差捕捉与测量装置，其特征在于，所述At/AU积分转换电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、高速开关Stl, S1, S2和运算放大器U5,所述运算放大器U5的同相输入端连接参考电压，输出端连接A/D转换模块。
全文摘要
本发明公开了一种具有双向识别功能的高精度时差捕捉与测量装置，所述装置包括模拟比较器、双向鉴相电路、MCU控制处理单元及Δt/ΔU积分转换器；所述；模拟比较器，用于将输入的超声波回波信号整形为方波信号，并将所述信号接入所述双向鉴相电路输送到MCU控制处理单元；MCU控制处理单元；通过设置的标准时间信号产生模块产生标准延迟信号，并将所述标准延迟信号作为鉴相基准接入双向鉴相电路；双向鉴相电路；将所述方波信号与所述标准标准延时信号进行相位判断，得到时间段信号；Δt/ΔU积分转换器；将时间段信号转换为电压信号，并将所述电压信号通过MCU控制处理单元中的A/D转换模块变成数字量。本发明由于使用了模拟比较器，所以能直接对超声信号进行处理，无需外加独立信号调理电路；由于采用了标准时间信号作为鉴相基准，所以能对超声信号的正程和逆程传播时间进行双向鉴相，并使A/D转换电路精度得到充分利用，使得测量精度相对非双向方案提高一倍。
文档编号G01P5/18GK102645554SQ20121013947
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月8日 优先权日2012年5月8日
发明者刘桂雄, 朱斌庚, 陈佳异 申请人:华南理工大学