超声波流量计专用芯片的研制

论文摘要

超声波流量计是20世纪70年代随着IC技术迅速发展而得到广泛应用的一种非接触式仪表。目前超声波流量计设计方案大致可以分为采用大量分立器件与采用专用测量集成电路两类。采用分立器件方案,元件数量众多,调试复杂,可靠性低。目前市场上专用测量集成电路很少,基本上依靠国外进口,价格昂贵。因此设计一款专用芯片不仅可以实现流量计的集成化,还可以降低流量计的成本,具有重要的意义。论文根据时差法超声波流量计的测量原理,设计了一款超声波流量计专用芯片。该芯片包括超声波探头驱动电路、测时控制电路、测温控制电路、STOP信号转换电路等模块。测时控制电路利用时间一幅度转换法,采用组合逻辑电路、触发器、锁存器、开关电路等控制电容充放电,将超声波传播时间转化为电容的充电电压,满足超声波流量计对时间精确测量的关键要求;测温控制电路利用温度传感器、精密电阻分别与测温电容组成不同的放电回路,通过测量电容不同的放电时间,来得到温度传感器的电阻值,从而得到流体的温度;驱动电路与STOP信号转换电路是根据换能器的发射接收原理设计的分频、选择、比较电路。在系统级和电路级的分析和设计中,论文使用Hspice工具对主要模块和整个系统进行了仿真,使设计最终满足要求。版图设计完成后,使用Dracula软件对版图进行设计规则与电气规则的检查,完成了各项设计验证。该专用芯片采用无锡上华的0.5μm,N阱DPTM的标准CMOS工艺进行了代工制造。芯片的测试结果表明,设计的测时功能和其它辅助功能都已经实现,具有较好的测量精度。论文也对芯片性能的差距及其原因进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 超声波流量计的发展历史
• 1.2 本文的主要工作和论文结构
• 1.3 本文设计的工作环境
• 2 时差法超声波流量计的原理与分析
• 2.1 时差法流量计的测量原理
• 2.2 时差法的时间间隔测量方法
• 2.2.1 直接计数法
• 2.2.2 时间间隔扩展法
• 2.2.3 时间-幅度转化法
• 2.2.4 游标法
• 2.2.5 延迟线法
• 3 芯片电路设计
• 3.1 系统原理及工作过程
• 3.1.1 系统原理
• 3.1.2 功能模块描述
• 3.1.3 系统的工作过程
• 3.2 超声波换能器驱动电路设计
• 3.2.1 压电型超声波换能器工作原理
• 3.2.2 振荡电路
• 3.2.3 分频、选择电路
• 3.2.4 脉冲驱动电路
• 3.3 测时控制电路设计
• 3.3.1 时钟同步电路
• 3.3.2 模拟开关电路
• 3.3.3 测时控制电路设计
• 3.3.4 测时控制电路仿真
• 3.5 测温控制电路设计
• 3.5.1 测温控制电路工作原理
• 3.5.2 测温控制电路及仿真
• 3.6 STOP信号转换电路设计
• 3.6.1 换能器接收原理
• 3.6.2 比较器电路简介
• 3.6.3 比较器电路设计
• 4 版图设计与芯片测试分析
• 4.1 版图设计
• 4.1.1 芯片版图设计的基本原则
• 4.1.2 基本电路的版图设计
• 4.1.3 闩锁效应
• 4.1.4 芯片整体版图
• 4.1.5 芯片版图验证
• 4.2 芯片封装与测试
• 4.2.1 测试与结果分析
• 4.2.2 存在的不足与解决方向
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢