基于PS081數(shù)字測(cè)量芯片的太陽(yáng)能衡器和數(shù)字傳感器設(shè)

前言

數(shù)字測(cè)量芯片PS081的一個(gè)應(yīng)用方向?yàn)樘?yáng)能衡器。與傳統(tǒng)的電子衡器相比，采用acam公司的數(shù)字測(cè)量芯片PS081的太陽(yáng)能衡器方案有著許多的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。由于傳統(tǒng)的電子衡器的競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)僅僅在于價(jià)格，導(dǎo)致中國(guó)的衡器廠商為價(jià)格戰(zhàn)而拼盡了利潤(rùn)，很多廠商賠本賺吆喝，僅僅是為了維持生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)。而采用PS081的太陽(yáng)能衡器方案將給客戶帶來(lái)不同的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)——創(chuàng)新的產(chǎn)品理念、環(huán)保的產(chǎn)品內(nèi)涵和極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格。在節(jié)能環(huán)保理念越來(lái)越深入人心的今天，誰(shuí)的產(chǎn)品更節(jié)能環(huán)保，誰(shuí)就占據(jù)了這個(gè)市場(chǎng)的主流。因此，PS081在太陽(yáng)能衡器上的方案絕對(duì)是中國(guó)衡器廠商的最優(yōu)選擇，也是中國(guó)衡器廠商的新希望。

數(shù)字測(cè)量芯片PS081的另一個(gè)應(yīng)用方向?yàn)楦呔取⒏咝阅軘?shù)字傳感器。相對(duì)于生產(chǎn)技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛的模擬傳感器來(lái)說(shuō)，數(shù)字傳感器目前還僅僅處于技術(shù)發(fā)展階段。雖然目前數(shù)字傳感器已經(jīng)可以應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)流程來(lái)生產(chǎn)，然而在同等的生產(chǎn)流程下，數(shù)字傳感器和模擬傳感器相比較，并沒(méi)有多大的優(yōu)勢(shì)。而采用數(shù)字測(cè)量芯片PS081的數(shù)字傳感器方案，卻能為數(shù)字傳感器帶來(lái)一個(gè)新的方向。通過(guò)全新的測(cè)量技術(shù)，來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的生產(chǎn)流程，帶來(lái)意想不到的效費(fèi)比，使得無(wú)論在商業(yè)角度還是技術(shù)角度都將為數(shù)字傳感器的應(yīng)用打開(kāi)一個(gè)新的篇章。

PS081—單芯片數(shù)字測(cè)量芯片

如圖1所示，PS081是一款絕對(duì)完全的單芯片方案，芯片本身帶有acam公司專利的24位內(nèi)部集成MCU單片機(jī)，2k×8-位的EEprom可擦除編程內(nèi)部存儲(chǔ)器，3k的ROM并帶有強(qiáng)大的軟件如48位乘法和除法或者2進(jìn)制到7段碼轉(zhuǎn)換等。還集成了LCD驅(qū)動(dòng)，用于電池低壓檢測(cè)的嵌入帶隙基準(zhǔn)電壓，帶有廉價(jià)的碳阻的溫度測(cè)量端口，看門(mén)狗定時(shí)器，串行SPI接口等等。那么外部?jī)H需要非常少的外部原件就可以設(shè)計(jì)出高性能高精度，低功耗的衡器。

圖1：PS081內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

2、高精度時(shí)間測(cè)量原理

2.1 TDC—時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器：

PS081芯片采用來(lái)自于德國(guó)acam公司創(chuàng)新的PICOSTRAIN測(cè)量原理，而其與其他數(shù)模芯片(A/D)最大的不同是，其內(nèi)部測(cè)量是通過(guò)純數(shù)字化的TDC(時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器)測(cè)量單元為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其測(cè)量原理如下：

TDC核心測(cè)量單元的內(nèi)部是利用信號(hào)通過(guò)邏輯門(mén)的絕對(duì)時(shí)間延遲來(lái)精確量化時(shí)間間隔的。也就是說(shuō)它計(jì)算了在一定的時(shí)間間隔內(nèi)有多少個(gè)反向器被通過(guò)，在被測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)信號(hào)通過(guò)了多少個(gè)反向器。上圖說(shuō)明了這種 TDC的操作原理，非常智慧的電路設(shè)計(jì)，擔(dān)保器件和在芯片上的特殊的布線方法，使精確而相等的邏輯門(mén)時(shí)間延遲成為了現(xiàn)實(shí)。測(cè)量結(jié)果的精度非常嚴(yán)格的依賴于芯片內(nèi)部的基礎(chǔ)邏輯門(mén)的延遲時(shí)間。測(cè)量精度從10皮秒到 100皮秒可以通過(guò)簡(jiǎn)單的測(cè)量?jī)?nèi)核以及現(xiàn)代化的CMOS技術(shù)輕松達(dá)到。

2.2 PICOSTRAIN測(cè)量原理：

根據(jù)TDC的這種測(cè)量原理，德國(guó)acam公司將這種原理應(yīng)用到了電阻應(yīng)變的測(cè)量上，獲得了非常好的效果，這種TDC和應(yīng)變傳感器測(cè)量的結(jié)合就是PICOSTRAIN測(cè)量原理。下圖為PICOSTRAIN測(cè)量原理圖：

圖3 PICOSTRAIN測(cè)量原理

應(yīng)變測(cè)量本身是通過(guò)測(cè)量放電時(shí)間來(lái)間接體現(xiàn)的。放電時(shí)間是測(cè)量應(yīng)變電阻通過(guò)一個(gè)放電電容Cload放電來(lái)獲得。正相變化和反向變化的應(yīng)變電阻的放電時(shí)間都會(huì)被進(jìn)行測(cè)量。兩個(gè)放電時(shí)間的比值則會(huì)反映應(yīng)變電阻的變化信息。時(shí)間測(cè)量是通過(guò)高精度內(nèi)部時(shí)間單元TDC來(lái)完成的，最高可以獲得15ps的測(cè)量精度。(通過(guò)平均可以達(dá)到0.5ps)。

在PICOSTRAIN 的測(cè)量原理中額外的專利電路和數(shù)學(xué)算法對(duì)于誤差源如Rdson和比較器的傳播延遲進(jìn)行了補(bǔ)償，結(jié)果的精度是非常高的，幾乎沒(méi)有增益誤差和溫度的影響。由于這種補(bǔ)償我們定義了一次測(cè)量結(jié)果由8次充電放電構(gòu)成。根據(jù)測(cè)量原理，PICOSTRAIN并不需要全橋模式，半橋式測(cè)量就已經(jīng)足夠。半橋的供電直接通過(guò)PICOSTRAIN的電路供電，不需要額外給應(yīng)變電阻供電， 而且參考電壓也不要求。而通過(guò)脈沖驅(qū)動(dòng)的方式PICOSTRAIN系統(tǒng)可以很容易的控制通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的電流，更重要的是相比數(shù)模轉(zhuǎn)換器而言它極大限度的減少了整個(gè)系統(tǒng)的電流消耗，從而可以實(shí)現(xiàn)了超低功耗的設(shè)計(jì)!

3、PICOSTRAIN革新的溫度補(bǔ)償方法

PICOSTRAIN測(cè)量原理的基本就是通過(guò)傳感器電阻對(duì)一個(gè)電容(Cload)進(jìn)行放電，然后記錄放電的時(shí)間。將傳感器鏈接成兩個(gè)半橋，另外Rspan電阻連接到中間的一個(gè)半橋上，組成我們所稱的PICOSTRAIN全橋連接?？梢韵胂髮?duì)于每個(gè)半橋的應(yīng)變電阻進(jìn)行放電，芯片內(nèi)部就可以計(jì)算出當(dāng)包括Rspan電阻的路徑時(shí)間，通過(guò)這個(gè)時(shí)間就可以將Rspan電阻的時(shí)間變化計(jì)算出來(lái)，通過(guò)這個(gè)計(jì)算就可以很容易的獲得Rspan的調(diào)整系數(shù)，通過(guò)和PS081芯片內(nèi)部的增益補(bǔ)償寄存器TKGain配合就可以很容易的實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

圖4

為了調(diào)整增益和零點(diǎn)偏移，需要僅一次的溫度試驗(yàn)來(lái)找出相應(yīng)的系數(shù)，由于無(wú)需進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，整個(gè)調(diào)整過(guò)程可以在最終生產(chǎn)好傳感器之后進(jìn)行，調(diào)整的過(guò)程需要很少的時(shí)間，卻可以非常的精確!參見(jiàn)下圖：

圖5 PICOSTRAIN補(bǔ)償后的零點(diǎn)偏移和OIML6000標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比圖

4、高精度、低功耗特性

PS081的最大特性就是高精度和低功耗。那么和傳統(tǒng)的ADC方案相比較，PS081的功耗會(huì)怎么樣呢?讓我們來(lái)對(duì)PS081和目前市場(chǎng)上主流的ADC做一個(gè)功耗對(duì)比：