產(chǎn)品簡述

MS1030 是一款針對(duì)超聲波流量高精度測量電路，它具有高

精度，高穩(wěn)定性，高效率的特點(diǎn)。它的測量精度 15ps，測量范

圍 500ns ~ 4ms@4MHz。在第一波模式情況下，內(nèi)部比較器的

offset 可編程范圍為±127mV，而且還另外增加了-128~124mV 的

比較偏置電壓；測量回波最多達(dá) 8 個(gè)回波脈沖。該電路的封裝

管腳和 MS1022 完全兼容，客戶在替換上非常便捷。

主要特點(diǎn)

流量測量單元

?測量精度高達(dá) 15ps，1LSB 達(dá) 3.8ps

?測量范圍 500ns 至 4ms @4MHZ

?最多可以測量 8 個(gè)回波信號(hào)，而且將 8 個(gè)回波信號(hào)測量值

進(jìn)行累加并放入結(jié)果寄存器

?具有高精度脈寬檢測單元

模擬輸入電路

?內(nèi)嵌穩(wěn)定低漂移、精密比較器，失調(diào)電壓 1mV（典型）

?內(nèi)嵌可編程比較器偏置電壓，編程電壓-128~124mV

?內(nèi)嵌第一波檢測功能，且可編程偏置電壓達(dá)±127mV

?模擬部分在非測量時(shí)間進(jìn)行關(guān)閉，功耗小于 50nA

脈沖發(fā)生單元

?內(nèi)嵌兩個(gè)脈沖發(fā)生器，單個(gè)最多可生成 127 個(gè)脈沖

?脈沖發(fā)生器發(fā)送脈沖頻率，從 62.5kHz~2MHz @4MHz

?脈沖發(fā)生器單個(gè)輸出電流可達(dá) 48mA 電流

?兩個(gè)脈沖輸出管腳具有單個(gè)反向功能

溫度測量單元

?2 個(gè)或 4 個(gè)溫度傳感器，

PT500/PT1000

?內(nèi)嵌施密特觸發(fā)器

?超低功耗（每 30 秒測量一次時(shí)

為 0.08μA）

其他功能

?上升或/和下降沿觸發(fā)測量

?高精度的 STOP 屏蔽窗口

?低功耗 32kHz 振蕩器(7μA)

?4 線 SPI 通信接口

?工作電壓 2.5V 至 3.6V

?工作溫度-40°C 至+125°C

?QFN32

應(yīng)用

?超聲波水表

?超聲波熱量表

?超聲波氣表

?超聲波流量計(jì)

?超聲波風(fēng)速儀

產(chǎn)品規(guī)格分類

管腳圖

管腳說明

內(nèi)部框圖

極限參數(shù)

芯片使用中，任何超過極限參數(shù)的應(yīng)用方式會(huì)對(duì)器件造成永久的損壞，芯片長時(shí)間處于極限工作

狀態(tài)可能會(huì)影響器件的可靠性。極限參數(shù)只是由一系列極端測試得出，并不代表芯片可以正常工作在

此極限條件下。

推薦工作條件

電氣參數(shù)

時(shí)序

如果沒有特別說明，以下特性參數(shù)均是在 VCC=3.3V±0.3V，環(huán)境溫度為-40°C?+85°C 條件下測量得到的。

電源電壓

MS1030 為高端數(shù)字模擬混合器件。為了達(dá)到最佳測量效果,好的電源非常重要。電源應(yīng)該具有高

電容性和低電感性。

MS1030 提供兩對(duì)電源供應(yīng)端口:

VIO - I/O 供電電壓

VCC - 內(nèi)核供電電壓

所有的 Ground 引腳都應(yīng)該連接到印刷電路板的地層上。 VIO 和 VCC 應(yīng)該通過一個(gè)電池或者固定

的線性電壓調(diào)節(jié)器給出。不要應(yīng)用開關(guān)式的調(diào)節(jié)器，避免由于 IO 電壓引起的干擾。

時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠有好的測量效果，完全取決于好的電源供電。芯片測量主要是脈沖式的電

流，因此一個(gè)充足的雙通濾波非常重要:

VCC 47 μF （最小 22 μF）

VIO 100 μF （最小 22 μF）

電壓應(yīng)用通過一個(gè)模擬的調(diào)節(jié)器給出，我們推薦不要使用開關(guān)式的電壓調(diào)節(jié)。

寄存器描述

操作碼及寄存器分配

如有需求請(qǐng)聯(lián)系——三亞微科技 王子文（16620966594）

如有需求請(qǐng)聯(lián)系——三亞微科技 王子文（16620966594）

功能描述

1. 流量測量概述

1.1 概述

流量測量是由模擬前端、數(shù)字 TDC、運(yùn)算器(ALU)這幾部分組成，模擬前端主要負(fù)責(zé)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和

傳遞到數(shù)字 TDC，數(shù)字 TDC 是以精密計(jì)數(shù)器和粗值計(jì)數(shù)器組成，負(fù)責(zé)將前端有效信號(hào)轉(zhuǎn)換為單位時(shí)

間，運(yùn)算器是將數(shù)字 TDC 存儲(chǔ)的單位時(shí)間校準(zhǔn)為基準(zhǔn)時(shí)鐘相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，并存儲(chǔ)到相應(yīng)結(jié)果寄存

器，以下是簡單描述：

·測量精度可達(dá) 15ps，最小分辨率達(dá) 3.8ps (1LSB)

·最大的測量范圍可達(dá) 500ns?4ms @ 4MHz

·有 8 次 STOP 采樣能力，并將 8 次 STOP 進(jìn)行累加

·測量結(jié)果都有獨(dú)立的結(jié)果寄存器

·在模擬模式下，可選擇第一波模式和非第一波模式測量

·可選上升/下降沿觸發(fā)

·STOP 通道有一個(gè)精度為 250ns 的可調(diào)窗口，可提供準(zhǔn)確的 STOP 使能

1.2. 數(shù)字 TDC

數(shù)字 TDC 是以精密計(jì)數(shù)器和粗值計(jì)數(shù)器組成，精密計(jì)數(shù)器的測量精度可達(dá) 15ps，最小分辨率達(dá)

3.8ps (1LSB)，精密計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)范圍是 0?2μs；而粗值計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)范圍是 500ns?4ms@ 4MHz。 TDC 的高

速單元并不測量整個(gè)時(shí)間間隔，僅僅測量從 START 或 STOP 信號(hào)到相鄰的基準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿之間的間隔

時(shí)間（精密計(jì)數(shù)器）。在兩次精密測量之間，TDC 記下基準(zhǔn)時(shí)鐘的周期數(shù)（粗值計(jì)數(shù)器）。所以流量

測量結(jié)果是精密測量值和粗略測量值的總和。數(shù)字 TDC 具有 8 次 STOP 采樣能力，但每個(gè) STOP 間隔不

小于 2×Tref。

當(dāng) EN_ANALOG=1 時(shí)，內(nèi)部集成模擬電路輸入部分打開，這部分可作為數(shù)字輸入部分的一個(gè)替代

輸入。尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)超聲波熱量流量測量的時(shí)候，這個(gè)功能將會(huì)大大簡化整個(gè)電路的設(shè)計(jì)。信號(hào)將會(huì)

通過一個(gè)高通濾波耦合到輸入端，模擬信號(hào)可以從 STOP1 和 STOP2 兩個(gè)端口輸入，由于內(nèi)部比較器無

法以零點(diǎn)作為觸發(fā)，比較器的觸發(fā)電壓被設(shè)置為 1/3 VCC。模擬選擇器將會(huì)根據(jù)測量的方向來選擇不同

的測量輸入。斬波穩(wěn)定比較器將會(huì)保證較低的電壓零點(diǎn)漂移（小于 2mV），這個(gè)是高質(zhì)量測量的前提

條件。而比較器的電壓零點(diǎn)漂移將會(huì)非常頻繁的在內(nèi)部通過斬波電路進(jìn)行校正。如果溫度或者電壓隨

時(shí)間變化的話，那么電壓零點(diǎn)漂移將會(huì)自動(dòng)被調(diào)整到小于 2 mV。

所有的元件都通過 MS1030 的控制單元進(jìn)行控制。他們僅在測量的過程中開啟，從而來降低整體

測量功耗。

比較器的偏移電壓 offset 的設(shè)置可以以 4mV 為基礎(chǔ)進(jìn)行，從 - 128mV 到 +124mV。這個(gè)設(shè)置是通

過寄存器 1 中參數(shù) offset, Bit 0-5 進(jìn)行設(shè)置，以 2 的補(bǔ)碼形式給出。

另外當(dāng)應(yīng)用第一波的模式時(shí),可以額外的設(shè)定第一個(gè)波識(shí)別的偏置電壓，設(shè)置可以以 2mV 為基礎(chǔ)

進(jìn)行，從 - 128mV 到 +126mV。這個(gè)設(shè)置是通過寄存器 3 中參數(shù) wave_offs, Bit 6-12 進(jìn)行設(shè)置，以 2 的

補(bǔ)碼形式給出。

2. 流量測量模式

流量測量模式分為：數(shù)字測量模式，模擬測量模式，第一波測量模式，分別介紹這三種測量模式。

2.1 數(shù)字測量模式

2.1.1 數(shù)字測量概述

當(dāng)“EN_ANALOG=0”時(shí)，選擇數(shù)字測量模式，在該測量模式下，開始信號(hào)從“START”管腳輸入，結(jié)束信

號(hào)從“STOP1”管腳輸入， STOP2 管腳無效，“START”和“STOP1”輸入信號(hào)均為數(shù)字信號(hào)，下圖為數(shù)字測量

波形圖，測量流程如下：

A、發(fā)送“TOF COMMADN”命令 0x01；

B、“START_CLKHS”為高速晶振延時(shí)，該延時(shí)是為了高速晶振從關(guān)閉模式到穩(wěn)定起振時(shí)間；

C、發(fā)送脈沖或者外部信號(hào)進(jìn)行觸發(fā) START 信號(hào)，這時(shí)測量開始計(jì)時(shí)；

D、“DELVAL1”為 STOP 屏蔽窗口，設(shè)置時(shí)間根據(jù)用戶流程進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置時(shí)間不要超過回波返回時(shí)

間，以免出現(xiàn)溢出現(xiàn)象；

E、當(dāng)“DELVAL1”屏蔽時(shí)間完成后，開始接收 STOP 信號(hào)，直到設(shè)置“HITIN”預(yù)期脈沖全部回來后不再接

收回波信號(hào)，這時(shí) ALU 進(jìn)行校準(zhǔn)并保存數(shù)據(jù)到相應(yīng)結(jié)果寄存器，最多可以接收 8 個(gè)回波信號(hào)，并且

將 8 個(gè)回波累加和放入結(jié)果寄存器，完成測試；

F、當(dāng)整個(gè)測試完成后“INTN”管腳產(chǎn)生一個(gè)下降沿，通知 MCU 去處理數(shù)據(jù)。

上圖為模擬測量波形圖，測量流程如下：

A、發(fā)送“TOF COMMADN”命令 0x01；

B、“START_CLKHS”為高速晶振延時(shí)，該延時(shí)是為了高速晶振從關(guān)閉模式到穩(wěn)定起振時(shí)間；

C、“TW2”為 STOP 采樣電容充電時(shí)間，使 STOP 端給采樣電容充電到 1/3VCC；

D、發(fā)送脈沖，根據(jù)“ANZ_FIRE”進(jìn)行設(shè)置發(fā)送脈沖個(gè)數(shù)，同時(shí)將發(fā)送的第一個(gè)脈沖觸發(fā) START 信號(hào)，

這時(shí)測量開始計(jì)時(shí)；

E、“DELVAL1”為回波屏蔽窗口，設(shè)置時(shí)間根據(jù)用戶流程進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置時(shí)間不要超過回波返回時(shí)間，

以免出現(xiàn)溢出現(xiàn)象；

F、offset 是可編程比較器偏置電壓，電壓范圍從-128mV?124mV；

G、當(dāng)“DELVAL1”屏蔽時(shí)間結(jié)束后，比較器開始接收回波信號(hào)，當(dāng)回波信號(hào)幅度超出“offset”偏置電壓

時(shí)，STOP 依次接收回波信號(hào)，直到設(shè)置“HITIN”預(yù)期脈沖全部回來后不再接收回波信號(hào)，這時(shí) ALU 進(jìn)

行校準(zhǔn)并保存數(shù)據(jù)到相應(yīng)結(jié)果寄存器，最多可以接收 8 個(gè)回波信號(hào)，并且將 8 個(gè)回波累加和放入結(jié)果

寄存器，完成一個(gè)測試；

H、當(dāng)整個(gè)測試完成后“INTN”管腳產(chǎn)生一個(gè)下降沿，通知 MCU 去處理數(shù)據(jù)。

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3.3. 推薦使用的電容

為了能夠達(dá)到精確的測量效果，我們推薦用非常低 dC/dU 的電容。我們推薦使用 C0G 系列類型電

容或者太陽誘電公司的 CfCap 系列。

由于放電時(shí)間大概是 150μs. 因此電容應(yīng)該選取下列值:

PT500: 220 nF

PT1000: 100 nF

設(shè)置 Tcycle = 1 以避免溢出錯(cuò)誤；

在熱量表應(yīng)用當(dāng)中，請(qǐng)不要使用 X7R 或者相似的電容材料。

3.4. 電流消耗

采用 MS1030 進(jìn)行溫度測量與采用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度測量相比，其電流消耗極低。

進(jìn)行一次完整的溫度測量（2 個(gè)傳感器，2 個(gè)基準(zhǔn)），包括所有的計(jì)算在內(nèi)，其功耗小于 2.5μA/s。如

果每 30 秒進(jìn)行一次溫度測量（熱量計(jì)的典型測量頻率），平均電流消耗 0.08μA ，比其他測量方法的

功耗的 1/50 還要小。PT500 傳感器將使電流加倍。

3.5. 錯(cuò)誤檢測

溫度測量單元還具有檢查結(jié)果可用性的功能。它可以檢測傳感器是短路還是開路，然后 MS1030

將狀態(tài)寄存器的 11 或 12 位置 1，并對(duì)相應(yīng)的結(jié)果寄存器寫入一個(gè)錯(cuò)誤代碼。

·短路：相當(dāng)于時(shí)間間隔太短（< 8 x Tref = 2μs @ 4MHz），MS1030 將會(huì)在結(jié)果寄存器中寫入 0x00。

·傳感器斷路：相當(dāng)于沒有停止信號(hào)或時(shí)間溢出，MS1030 在輸出寄存器中寫入 0xFFFFFFFF。

注意：當(dāng)選擇溫度測量的循環(huán)周期為 512μs (Tcycle = 1)時(shí)，必須使得 SEL_TIMO_MB2 時(shí)間大于 512μs，

否則得到的中斷標(biāo)志(INTN)可能會(huì)是溢出結(jié)果。

如有需求請(qǐng)聯(lián)系——三亞微科技 王子文（16620966594）

封裝外形圖

QFN32

審核編輯 黃宇

——愛研究芯片的小王