基于PS081數(shù)字測量芯片的太陽能衡器和數(shù)字傳感器設(shè)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(chǎn)線的運轉(zhuǎn)。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(chǎn)品理念、環(huán)保的產(chǎn)品內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)技術(shù)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(shù)發(fā)展階段。雖然目前數(shù)字傳感器已經(jīng)可以應用標準的生產(chǎn)流程來生產(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(shù)，來改進現(xiàn)有的生產(chǎn)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(shù)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(nèi)部集成MCU單片機，2k×8-位的EEprom可擦除編程內(nèi)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(zhuǎn)換等。還集成了LCD驅(qū)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(shè)計出高性能高精度，低功耗的衡器。

圖1：PS081內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

2、高精度時間測量原理

2.1 TDC—時間數(shù)字轉(zhuǎn)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(nèi)部測量是通過純數(shù)字化的TDC(時間數(shù)字轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)有多少個反向器被通過，在被測時間間隔內(nèi)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(shè)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(jié)果的精度非常嚴格的依賴于芯片內(nèi)部的基礎(chǔ)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(nèi)核以及現(xiàn)代化的CMOS技術(shù)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(jié)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(nèi)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(jié)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(jié)果由8次充電放電構(gòu)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(jīng)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(qū)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(zhuǎn)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(shè)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(nèi)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(diào)整系數(shù)，通過和PS081芯片內(nèi)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(diào)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(diào)整，整個調(diào)整過程可以在最終生產(chǎn)好傳感器之后進行，調(diào)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：