基于PS081數(shù)字測量芯片的太陽能衡器和數(shù)字傳感器設計方案

前言

數(shù)字測量芯片PS081的一個應用方向為太陽能衡器。與傳統(tǒng)的電子衡器相比，采用acam公司的數(shù)字測量芯片PS081的太陽能衡器方案有著許多的競爭優(yōu)勢。由于傳統(tǒng)的電子衡器的競爭點僅僅在于價格，導致中國的衡器廠商為價格戰(zhàn)而拼盡了利潤，很多廠商賠本賺吆喝，僅僅是為了維持生產線的運轉。而采用PS081的太陽能衡器方案將給客戶帶來不同的競爭優(yōu)勢——創(chuàng)新的產品理念、環(huán)保的產品內涵和極具競爭力的價格。在節(jié)能環(huán)保理念越來越深入人心的今天，誰的產品更節(jié)能環(huán)保，誰就占據(jù)了這個市場的主流。因此，PS081在太陽能衡器上的方案絕對是中國衡器廠商的最優(yōu)選擇，也是中國衡器廠商的新希望。

數(shù)字測量芯片PS081的另一個應用方向為高精度、高性能數(shù)字傳感器。相對于生產技術成熟，應用廣泛的模擬傳感器來說，數(shù)字傳感器目前還僅僅處于技術發(fā)展階段。雖然目前數(shù)字傳感器已經可以應用標準的生產流程來生產，然而在同等的生產流程下，數(shù)字傳感器和模擬傳感器相比較，并沒有多大的優(yōu)勢。而采用數(shù)字測量芯片PS081的數(shù)字傳感器方案，卻能為數(shù)字傳感器帶來一個新的方向。通過全新的測量技術，來改進現(xiàn)有的生產流程，帶來意想不到的效費比，使得無論在商業(yè)角度還是技術角度都將為數(shù)字傳感器的應用打開一個新的篇章。

PS081—單芯片數(shù)字測量芯片

如圖1所示，PS081是一款絕對完全的單芯片方案，芯片本身帶有acam公司專利的24位內部集成MCU單片機，2k×8-位的EEprom可擦除編程內部存儲器，3k的ROM并帶有強大的軟件如48位乘法和除法或者2進制到7段碼轉換等。還集成了LCD驅動，用于電池低壓檢測的嵌入帶隙基準電壓，帶有廉價的碳阻的溫度測量端口，看門狗定時器，串行SPI接口等等。那么外部僅需要非常少的外部原件就可以設計出高性能高精度，低功耗的衡器。

圖1：PS081內部結構圖。

2、高精度時間測量原理

2.1 TDC—時間數(shù)字轉換器：

PS081芯片采用來自于德國acam公司創(chuàng)新的PICOSTRAIN測量原理，而其與其他數(shù)模芯片(A/D)最大的不同是，其內部測量是通過純數(shù)字化的TDC(時間數(shù)字轉換器)測量單元為核心來實現(xiàn)的。其測量原理如下：

TDC核心測量單元的內部是利用信號通過邏輯門的絕對時間延遲來精確量化時間間隔的。也就是說它計算了在一定的時間間隔內有多少個反向器被通過，在被測時間間隔內信號通過了多少個反向器。上圖說明了這種 TDC的操作原理，非常智慧的電路設計，擔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時間延遲成為了現(xiàn)實。測量結果的精度非常嚴格的依賴于芯片內部的基礎邏輯門的延遲時間。測量精度從10皮秒到 100皮秒可以通過簡單的測量內核以及現(xiàn)代化的CMOS技術輕松達到。

2.2 PICOSTRAIN測量原理：

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

圖3 PICOSTRAIN測量原理

應變測量本身是通過測量放電時間來間接體現(xiàn)的。放電時間是測量應變電阻通過一個放電電容Cload放電來獲得。正相變化和反向變化的應變電阻的放電時間都會被進行測量。兩個放電時間的比值則會反映應變電阻的變化信息。時間測量是通過高精度內部時間單元TDC來完成的，最高可以獲得15ps的測量精度。(通過平均可以達到0.5ps)。

在PICOSTRAIN 的測量原理中額外的專利電路和數(shù)學算法對于誤差源如Rdson和比較器的傳播延遲進行了補償，結果的精度是非常高的，幾乎沒有增益誤差和溫度的影響。由于這種補償我們定義了一次測量結果由8次充電放電構成。根據(jù)測量原理，PICOSTRAIN并不需要全橋模式，半橋式測量就已經足夠。半橋的供電直接通過PICOSTRAIN的電路供電，不需要額外給應變電阻供電， 而且參考電壓也不要求。而通過脈沖驅動的方式PICOSTRAIN系統(tǒng)可以很容易的控制通過整個系統(tǒng)的電流，更重要的是相比數(shù)模轉換器而言它極大限度的減少了整個系統(tǒng)的電流消耗，從而可以實現(xiàn)了超低功耗的設計!

3、PICOSTRAIN革新的溫度補償方法

PICOSTRAIN測量原理的基本就是通過傳感器電阻對一個電容(Cload)進行放電，然后記錄放電的時間。將傳感器鏈接成兩個半橋，另外Rspan電阻連接到中間的一個半橋上，組成我們所稱的PICOSTRAIN全橋連接?？梢韵胂髮τ诿總€半橋的應變電阻進行放電，芯片內部就可以計算出當包括Rspan電阻的路徑時間，通過這個時間就可以將Rspan電阻的時間變化計算出來，通過這個計算就可以很容易的獲得Rspan的調整系數(shù)，通過和PS081芯片內部的增益補償寄存器TKGain配合就可以很容易的實現(xiàn)溫度補償。

圖4

為了調整增益和零點偏移，需要僅一次的溫度試驗來找出相應的系數(shù)，由于無需進行手動調整，整個調整過程可以在最終生產好傳感器之后進行，調整的過程需要很少的時間，卻可以非常的精確!參見下圖：

圖5 PICOSTRAIN補償后的零點偏移和OIML6000標準對比圖

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的功耗會怎么樣呢?讓我們來對PS081和目前市場上主流的ADC做一個功耗對比：