浅谈瑞盟科技·MS1030——超声波流量高精度测量电路

产品简述

MS1030 是一款针对超声波流量高精度测量电路，它具有高

精度，高稳定性，高效率的特点。它的测量精度 15ps，测量范

围 500ns ~ 4ms@4MHz。在第一波模式情况下，内部比较器的

offset 可编程范围为±127mV，而且还另外增加了-128~124mV 的

比较偏置电压；测量回波最多达 8 个回波脉冲。该电路的封装

管脚和 MS1022 完全兼容，客户在替换上非常便捷。

主要特点

流量测量单元

◼测量精度高达 15ps，1LSB 达 3.8ps

◼测量范围 500ns 至 4ms @4MHZ

◼最多可以测量 8 个回波信号，而且将 8 个回波信号测量值

进行累加并放入结果寄存器

◼具有高精度脉宽检测单元

模拟输入电路

◼内嵌稳定低漂移、精密比较器，失调电压 1mV（典型）

◼内嵌可编程比较器偏置电压，编程电压-128~124mV

◼内嵌第一波检测功能，且可编程偏置电压达±127mV

◼模拟部分在非测量时间进行关闭，功耗小于 50nA

脉冲发生单元

◼内嵌两个脉冲发生器，单个最多可生成 127 个脉冲

◼脉冲发生器发送脉冲频率，从 62.5kHz~2MHz @4MHz

◼脉冲发生器单个输出电流可达 48mA 电流

◼两个脉冲输出管脚具有单个反向功能

温度测量单元

◼2 个或 4 个温度传感器，

PT500/PT1000

◼内嵌施密特触发器

◼超低功耗（每 30 秒测量一次时

为 0.08μA）

其他功能

◼上升或/和下降沿触发测量

◼高精度的 STOP 屏蔽窗口

◼低功耗 32kHz 振荡器(7μA)

◼4 线 SPI 通信接口

◼工作电压 2.5V 至 3.6V

◼工作温度-40°C 至+125°C

◼QFN32

应用

◼超声波水表

◼超声波热量表

◼超声波气表

◼超声波流量计

◼超声波风速仪

产品规格分类

管脚图

管脚说明

内部框图

极限参数

芯片使用中，任何超过极限参数的应用方式会对器件造成永久的损坏，芯片长时间处于极限工作

状态可能会影响器件的可靠性。极限参数只是由一系列极端测试得出，并不代表芯片可以正常工作在

此极限条件下。

推荐工作条件

电气参数

时序

如果没有特别说明，以下特性参数均是在 VCC=3.3V±0.3V，环境温度为-40°C+85°C 条件下测量得到的。

电源电压

MS1030 为高端数字模拟混合器件。为了达到最佳测量效果,好的电源非常重要。电源应该具有高

电容性和低电感性。

MS1030 提供两对电源供应端口:

VIO - I/O 供电电压

VCC - 内核供电电压

所有的 Ground 引脚都应该连接到印刷电路板的地层上。 VIO 和 VCC 应该通过一个电池或者固定

的线性电压调节器给出。不要应用开关式的调节器，避免由于 IO 电压引起的干扰。

时间数字转换器能够有好的测量效果，完全取决于好的电源供电。芯片测量主要是脉冲式的电

流，因此一个充足的双通滤波非常重要:

VCC 47 µF （最小 22 µF）

VIO 100 µF （最小 22 µF）

电压应用通过一个模拟的调节器给出，我们推荐不要使用开关式的电压调节。

寄存器描述

操作码及寄存器分配

如有需求请联系——三亚微科技 王子文（16620966594）

如有需求请联系——三亚微科技 王子文（16620966594）

功能描述

1. 流量测量概述

1.1 概述

流量测量是由模拟前端、数字 TDC、运算器(ALU)这几部分组成，模拟前端主要负责信号的转换和

传递到数字 TDC，数字 TDC 是以精密计数器和粗值计数器组成，负责将前端有效信号转换为单位时

间，运算器是将数字 TDC 存储的单位时间校准为基准时钟相关的标准时间，并存储到相应结果寄存

器，以下是简单描述：

·测量精度可达 15ps，最小分辨率达 3.8ps (1LSB)

·最大的测量范围可达 500ns4ms @ 4MHz

·有 8 次 STOP 采样能力，并将 8 次 STOP 进行累加

·测量结果都有独立的结果寄存器

·在模拟模式下，可选择第一波模式和非第一波模式测量

·可选上升/下降沿触发

·STOP 通道有一个精度为 250ns 的可调窗口，可提供准确的 STOP 使能

1.2. 数字 TDC

数字 TDC 是以精密计数器和粗值计数器组成，精密计数器的测量精度可达 15ps，最小分辨率达

3.8ps (1LSB)，精密计数器计数范围是 02μs；而粗值计数器计数范围是 500ns4ms@ 4MHz。 TDC 的高

速单元并不测量整个时间间隔，仅仅测量从 START 或 STOP 信号到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔

时间（精密计数器）。在两次精密测量之间，TDC 记下基准时钟的周期数（粗值计数器）。所以流量

测量结果是精密测量值和粗略测量值的总和。数字 TDC 具有 8 次 STOP 采样能力，但每个 STOP 间隔不

小于 2×Tref。

当 EN_ANALOG=1 时，内部集成模拟电路输入部分打开，这部分可作为数字输入部分的一个替代

输入。尤其是当设计超声波热量流量测量的时候，这个功能将会大大简化整个电路的设计。信号将会

通过一个高通滤波耦合到输入端，模拟信号可以从 STOP1 和 STOP2 两个端口输入，由于内部比较器无

法以零点作为触发，比较器的触发电压被设置为 1/3 VCC。模拟选择器将会根据测量的方向来选择不同

的测量输入。斩波稳定比较器将会保证较低的电压零点漂移（小于 2mV），这个是高质量测量的前提

条件。而比较器的电压零点漂移将会非常频繁的在内部通过斩波电路进行校正。如果温度或者电压随

时间变化的话，那么电压零点漂移将会自动被调整到小于 2 mV。

所有的元件都通过 MS1030 的控制单元进行控制。他们仅在测量的过程中开启，从而来降低整体

测量功耗。

比较器的偏移电压 offset 的设置可以以 4mV 为基础进行，从 - 128mV 到 +124mV。这个设置是通

过寄存器 1 中参数 offset, Bit 0-5 进行设置，以 2 的补码形式给出。

另外当应用第一波的模式时,可以额外的设定第一个波识别的偏置电压，设置可以以 2mV 为基础

进行，从 - 128mV 到 +126mV。这个设置是通过寄存器 3 中参数 wave_offs, Bit 6-12 进行设置，以 2 的

补码形式给出。

2. 流量测量模式

流量测量模式分为：数字测量模式，模拟测量模式，第一波测量模式，分别介绍这三种测量模式。

2.1 数字测量模式

2.1.1 数字测量概述

当“EN_ANALOG=0”时，选择数字测量模式，在该测量模式下，开始信号从“START”管脚输入，结束信

号从“STOP1”管脚输入， STOP2 管脚无效，“START”和“STOP1”输入信号均为数字信号，下图为数字测量

波形图，测量流程如下：

A、发送“TOF COMMADN”命令 0x01；

B、“START_CLKHS”为高速晶振延时，该延时是为了高速晶振从关闭模式到稳定起振时间；

C、发送脉冲或者外部信号进行触发 START 信号，这时测量开始计时；

D、“DELVAL1”为 STOP 屏蔽窗口，设置时间根据用户流程进行设置，设置时间不要超过回波返回时

间，以免出现溢出现象；

E、当“DELVAL1”屏蔽时间完成后，开始接收 STOP 信号，直到设置“HITIN”预期脉冲全部回来后不再接

收回波信号，这时 ALU 进行校准并保存数据到相应结果寄存器，最多可以接收 8 个回波信号，并且

将 8 个回波累加和放入结果寄存器，完成测试；

F、当整个测试完成后“INTN”管脚产生一个下降沿，通知 MCU 去处理数据。

上图为模拟测量波形图，测量流程如下：

A、发送“TOF COMMADN”命令 0x01；

B、“START_CLKHS”为高速晶振延时，该延时是为了高速晶振从关闭模式到稳定起振时间；

C、“TW2”为 STOP 采样电容充电时间，使 STOP 端给采样电容充电到 1/3VCC；

D、发送脉冲，根据“ANZ_FIRE”进行设置发送脉冲个数，同时将发送的第一个脉冲触发 START 信号，

这时测量开始计时；

E、“DELVAL1”为回波屏蔽窗口，设置时间根据用户流程进行设置，设置时间不要超过回波返回时间，

以免出现溢出现象；

F、offset 是可编程比较器偏置电压，电压范围从-128mV124mV；

G、当“DELVAL1”屏蔽时间结束后，比较器开始接收回波信号，当回波信号幅度超出“offset”偏置电压

时，STOP 依次接收回波信号，直到设置“HITIN”预期脉冲全部回来后不再接收回波信号，这时 ALU 进

行校准并保存数据到相应结果寄存器，最多可以接收 8 个回波信号，并且将 8 个回波累加和放入结果

寄存器，完成一个测试；

H、当整个测试完成后“INTN”管脚产生一个下降沿，通知 MCU 去处理数据。

如有需求请联系——三亚微科技 王子文（16620966594）

3.3. 推荐使用的电容

为了能够达到精确的测量效果，我们推荐用非常低 dC/dU 的电容。我们推荐使用 C0G 系列类型电

容或者太阳诱电公司的 CfCap 系列。

由于放电时间大概是 150μs. 因此电容应该选取下列值:

PT500: 220 nF

PT1000: 100 nF

设置 Tcycle = 1 以避免溢出错误；

在热量表应用当中，请不要使用 X7R 或者相似的电容材料。

3.4. 电流消耗

采用 MS1030 进行温度测量与采用 A/D 转换器进行温度测量相比，其电流消耗极低。

进行一次完整的温度测量（2 个传感器，2 个基准），包括所有的计算在内，其功耗小于 2.5μA/s。如

果每 30 秒进行一次温度测量（热量计的典型测量频率），平均电流消耗 0.08μA ，比其他测量方法的

功耗的 1/50 还要小。PT500 传感器将使电流加倍。

3.5. 错误检测

温度测量单元还具有检查结果可用性的功能。它可以检测传感器是短路还是开路，然后 MS1030

将状态寄存器的 11 或 12 位置 1，并对相应的结果寄存器写入一个错误代码。

·短路：相当于时间间隔太短（< 8 x Tref = 2μs @ 4MHz），MS1030 将会在结果寄存器中写入 0x00。

·传感器断路：相当于没有停止信号或时间溢出，MS1030 在输出寄存器中写入 0xFFFFFFFF。

注意：当选择温度测量的循环周期为 512μs (Tcycle = 1)时，必须使得 SEL_TIMO_MB2 时间大于 512μs，

否则得到的中断标志(INTN)可能会是溢出结果。

如有需求请联系——三亚微科技 王子文（16620966594）

封装外形图

QFN32

审核编辑 黄宇

——爱研究芯片的小王