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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(zhǔn)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(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時間延遲成為了現(xiàn)實。測量結(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(dá)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(yīng)用到了電阻應(yīng)變的測量上，獲得了非常好的效果，這種TDC和應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dá)到0.5ps)。

在PICOSTRAIN 的測量原理中額外的專利電路和數(shù)學(xué)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(yīng)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(yīng)變電阻進行放電，芯片內(nèi)部就可以計算出當(dāng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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：

通過上面的表格我們可以看出，無論是在高精度還是在高刷新率下，相對于ADC來說，PS081的功耗都是最低的。這也是為什么我們的PS081可以應(yīng)用于太陽能衡器的一個原因。下面我們來再看一個圖表：

PS081在10HZ以上的刷新頻率下可以做到10萬分度的衡器，而對于一般的衡器來說其對刷新率要求并不是很高，所以對于acam的PS081來說可以做到更高的分度，最高可以達(dá)到20萬穩(wěn)定顯示分度!

5、方案介紹

5.1 PS081在太陽能衡器上的應(yīng)用

采用PS081在低功耗上的技術(shù)優(yōu)勢，可以設(shè)計出太陽能衡器。目前世強電訊在太陽能衡器上的方案有太陽能人體秤和太陽能廚房秤兩種：

方案1、太陽能人體秤：

人體秤精度：150Kg,分辨0.1Kg的測量精度

超低的電流消耗:

- 正常測量模式時最低整體電流消耗17μA

- 在掃描模式僅8 μA

在掃描模式也會有持續(xù)的測量, 可以自動檢測重量 (”Auto-On “)

無需電池

“綠色產(chǎn)品” – 環(huán)境保護的電子秤

結(jié)語

PS081是德國acam公司的一項創(chuàng)新型產(chǎn)品，一經(jīng)推出市場就給中國的衡器市場乃至世界的衡器市場帶來了一個不小的驚喜。其低功耗和高精度的單芯片方案正符合了當(dāng)前衡器市場發(fā)展的潮流，既符合了世界對節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，也為衡器技術(shù)的發(fā)展提供了一個很好的契機太陽能人體秤已經(jīng)批量應(yīng)用，太陽能廚房秤和其他的太陽能產(chǎn)品正在不斷的推出市場，而數(shù)字傳感器將是一個新的開端!