產品簡述

MS1030 是一款針對超聲波流量高精度測量電路，它具有高

精度，高穩定性，高效率的特點。它的測量精度 15ps，測量范

圍 500ns ~ 4ms@4MHz。在第一波模式情況下，內部比較器的

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 8 個回波脈沖。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

流量測量單元

?測量精度高達 15ps，1LSB 達 3.8ps

?測量范圍 500ns 至 4ms @4MHZ

?最多可以測量 8 個回波信號，而且將 8 個回波信號測量值

進行累加并放入結果寄存器

?具有高精度脈寬檢測單元

模擬輸入電路

?內嵌穩定低漂移、精密比較器，失調電壓 1mV（典型）

?內嵌可編程比較器偏置電壓，編程電壓-128~124mV

?內嵌第一波檢測功能，且可編程偏置電壓達±127mV

?模擬部分在非測量時間進行關閉，功耗小于 50nA

脈沖發生單元

?內嵌兩個脈沖發生器，單個最多可生成 127 個脈沖

?脈沖發生器發送脈沖頻率，從 62.5kHz~2MHz @4MHz

?脈沖發生器單個輸出電流可達 48mA 電流

?兩個脈沖輸出管腳具有單個反向功能

溫度測量單元

?2 個或 4 個溫度傳感器，

PT500/PT1000

?內嵌施密特觸發器

?超低功耗（每 30 秒測量一次時

為 0.08μA）

其他功能

?上升或/和下降沿觸發測量

?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

應用

?超聲波水表

?超聲波熱量表

?超聲波氣表

?超聲波流量計

?超聲波風速儀

產品規格分類

管腳圖

管腳說明

內部框圖

極限參數

芯片使用中，任何超過極限參數的應用方式會對器件造成永久的損壞，芯片長時間處于極限工作

狀態可能會影響器件的可靠性。極限參數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

時序

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

電源電壓

MS1030 為高端數字模擬混合器件。為了達到最佳測量效果,好的電源非常重要。電源應該具有高

電容性和低電感性。

MS1030 提供兩對電源供應端口:

VIO - I/O 供電電壓

VCC - 內核供電電壓

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

的線性電壓調節器給出。不要應用開關式的調節器，避免由于 IO 電壓引起的干擾。

時間數字轉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）

電壓應用通過一個模擬的調節器給出，我們推薦不要使用開關式的電壓調節。

寄存器描述

操作碼及寄存器分配

如有需求請聯系——三亞微科技 王子文（16620966594）

如有需求請聯系——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、數字 TDC、運算器(ALU)這幾部分組成，模擬前端主要負責信號的轉換和

傳遞到數字 TDC，數字 TDC 是以精密計數器和粗值計數器組成，負責將前端有效信號轉換為單位時

間，運算器是將數字 TDC 存儲的單位時間校準為基準時鐘相關的標準時間，并存儲到相應結果寄存

器，以下是簡單描述：

·測量精度可達 15ps，最小分辨率達 3.8ps (1LSB)

·最大的測量范圍可達 500ns?4ms @ 4MHz

·有 8 次 STOP 采樣能力，并將 8 次 STOP 進行累加

·測量結果都有獨立的結果寄存器

·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

·STOP 通道有一個精度為 250ns 的可調窗口，可提供準確的 STOP 使能

1.2. 數字 TDC

數字 TDC 是以精密計數器和粗值計數器組成，精密計數器的測量精度可達 15ps，最小分辨率達

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

速單元并不測量整個時間間隔，僅僅測量從 START 或 STOP 信號到相鄰的基準時鐘上升沿之間的間隔

時間（精密計數器）。在兩次精密測量之間，TDC 記下基準時鐘的周期數（粗值計數器）。所以流量

測量結果是精密測量值和粗略測量值的總和。數字 TDC 具有 8 次 STOP 采樣能力，但每個 STOP 間隔不

小于 2×Tref。

當 EN_ANALOG=1 時，內部集成模擬電路輸入部分打開，這部分可作為數字輸入部分的一個替代

輸入。尤其是當設計超聲波熱量流量測量的時候，這個功能將會大大簡化整個電路的設計。信號將會

通過一個高通濾波耦合到輸入端，模擬信號可以從 STOP1 和 STOP2 兩個端口輸入，由于內部比較器無

法以零點作為觸發，比較器的觸發電壓被設置為 1/3 VCC。模擬選擇器將會根據測量的方向來選擇不同

的測量輸入。斬波穩定比較器將會保證較低的電壓零點漂移（小于 2mV），這個是高質量測量的前提

條件。而比較器的電壓零點漂移將會非常頻繁的在內部通過斬波電路進行校正。如果溫度或者電壓隨

時間變化的話，那么電壓零點漂移將會自動被調整到小于 2 mV。

所有的元件都通過 MS1030 的控制單元進行控制。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 的設置可以以 4mV 為基礎進行，從 - 128mV 到 +124mV。這個設置是通

過寄存器 1 中參數 offset, Bit 0-5 進行設置，以 2 的補碼形式給出。

另外當應用第一波的模式時,可以額外的設定第一個波識別的偏置電壓，設置可以以 2mV 為基礎

進行，從 - 128mV 到 +126mV。這個設置是通過寄存器 3 中參數 wave_offs, Bit 6-12 進行設置，以 2 的

補碼形式給出。

2. 流量測量模式

流量測量模式分為：數字測量模式，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 數字測量模式

2.1.1 數字測量概述

當“EN_ANALOG=0”時，選擇數字測量模式，在該測量模式下，開始信號從“START”管腳輸入，結束信

號從“STOP1”管腳輸入， STOP2 管腳無效，“START”和“STOP1”輸入信號均為數字信號，下圖為數字測量

波形圖，測量流程如下：

A、發送“TOF COMMADN”命令 0x01；

B、“START_CLKHS”為高速晶振延時，該延時是為了高速晶振從關閉模式到穩定起振時間；

C、發送脈沖或者外部信號進行觸發 START 信號，這時測量開始計時；

D、“DELVAL1”為 STOP 屏蔽窗口，設置時間根據用戶流程進行設置，設置時間不要超過回波返回時

間，以免出現溢出現象；

E、當“DELVAL1”屏蔽時間完成后，開始接收 STOP 信號，直到設置“HITIN”預期脈沖全部回來后不再接

收回波信號，這時 ALU 進行校準并保存數據到相應結果寄存器，最多可以接收 8 個回波信號，并且

將 8 個回波累加和放入結果寄存器，完成測試；

F、當整個測試完成后“INTN”管腳產生一個下降沿，通知 MCU 去處理數據。

上圖為模擬測量波形圖，測量流程如下：

A、發送“TOF COMMADN”命令 0x01；

B、“START_CLKHS”為高速晶振延時，該延時是為了高速晶振從關閉模式到穩定起振時間；

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

D、發送脈沖，根據“ANZ_FIRE”進行設置發送脈沖個數，同時將發送的第一個脈沖觸發 START 信號，

這時測量開始計時；

E、“DELVAL1”為回波屏蔽窗口，設置時間根據用戶流程進行設置，設置時間不要超過回波返回時間，

以免出現溢出現象；

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

G、當“DELVAL1”屏蔽時間結束后，比較器開始接收回波信號，當回波信號幅度超出“offset”偏置電壓

時，STOP 依次接收回波信號，直到設置“HITIN”預期脈沖全部回來后不再接收回波信號，這時 ALU 進

行校準并保存數據到相應結果寄存器，最多可以接收 8 個回波信號，并且將 8 個回波累加和放入結果

寄存器，完成一個測試；

H、當整個測試完成后“INTN”管腳產生一個下降沿，通知 MCU 去處理數據。

如有需求請聯系——三亞微科技 王子文（16620966594）

3.3. 推薦使用的電容

為了能夠達到精確的測量效果，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。

由于放電時間大概是 150μs. 因此電容應該選取下列值:

PT500: 220 nF

PT1000: 100 nF

設置 Tcycle = 1 以避免溢出錯誤；

在熱量表應用當中，請不要使用 X7R 或者相似的電容材料。

3.4. 電流消耗

采用 MS1030 進行溫度測量與采用 A/D 轉換器進行溫度測量相比，其電流消耗極低。

進行一次完整的溫度測量（2 個傳感器，2 個基準），包括所有的計算在內，其功耗小于 2.5μA/s。如

果每 30 秒進行一次溫度測量（熱量計的典型測量頻率），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. 錯誤檢測

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

將狀態寄存器的 11 或 12 位置 1，并對相應的結果寄存器寫入一個錯誤代碼。

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

·傳感器斷路：相當于沒有停止信號或時間溢出，MS1030 在輸出寄存器中寫入 0xFFFFFFFF。

注意：當選擇溫度測量的循環周期為 512μs (Tcycle = 1)時，必須使得 SEL_TIMO_MB2 時間大于 512μs，

否則得到的中斷標志(INTN)可能會是溢出結果。

如有需求請聯系——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