數(shù)字測(cè)量芯片PS081在太陽能衡器和高精度數(shù)字傳感器中的應(yīng)用

前言
數(shù)字測(cè)量芯片PS081的一個(gè)應(yīng)用方向?yàn)?strong>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(cè)量芯片PS081的太陽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)致中國的衡器廠商為價(jià)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(yùn)轉(zhuǎn)。而采用PS081的太陽能衡器方案將給客戶帶來不同的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)——?jiǎng)?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(gè)市場(chǎng)的主流。因此，PS081在太陽能衡器上的方案絕對(duì)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(cè)量芯片PS081的另一個(gè)應(yīng)用方向?yàn)?strong>高精度、高性能數(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(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)字傳感器帶來一個(gè)新的方向。通過全新的測(cè)量技術(shù)，來改進(jìn)現(xiàn)有的生產(chǎn)流程，帶來意想不到的效費(fèi)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(gè)新的篇章。
關(guān)鍵字：PS081，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，時(shí)間測(cè)量，數(shù)字傳感器，高性能，低功耗
1、 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 x 8-位的 EEprom 可擦除編程內(nèi)部存儲(chǔ)器，3 k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。
 

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芯片采用來自于德國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)通過邏輯門的絕對(duì)時(shí)間延遲來精確量化時(shí)間間隔的。也就是說它計(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，在被測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)信號(hào)通過了多少個(gè)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(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)邏輯門的延遲時(shí)間。 測(cè)量精度從10皮秒到 100皮秒可以通過簡(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：
 

應(yīng)變測(cè)量本身是通過測(cè)量放電時(shí)間來間接體現(xiàn)的。放電時(shí)間是測(cè)量應(yīng)變電阻通過一個(gè)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(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)量是通過高精度內(nèi)部時(shí)間單
元TDC來完成的，最高可以獲得15ps的測(cè)量精度。(通過平均可以達(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(dòng)的方式PICOSTRAIN系統(tǒng)可以很容易的控制通過整個(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，通過這個(gè)時(shí)間就可以將Rspan電阻的時(shí)間變化計(jì)算出來，通過這個(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。

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

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?讓我們來對(duì)PS081和目前市場(chǎng)上主流的ADC做一個(gè)功耗對(duì)比：

電流消耗                                                                            PS081    ADS1230 CS5532-BS
在最高測(cè)量速度轉(zhuǎn)換器電流（不包括傳感器）            0.39mA  0.995mA   16mA
最大測(cè)量性能情況下包括傳感器在內(nèi)（350R傳感器）4.5mA   15mA       30.3mA
3000 OMIL分度，5Hz情況下的整體電流消耗               0.18mA  15mA      15mA

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(duì)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(gè)原因。下面我們來再看一個(gè)圖表：

*  峰-峰 值 = 6 Sigma
** 900.000 有效分度或 8 nV RMS 噪聲, 工作電壓 3.6V最好應(yīng)用350Ohm傳感器 ，因?yàn)?k ohm傳感器的熱噪聲比較差

PS081在10HZ以上的刷新頻率下可以做到10萬分度的衡器，而對(duì)于一般的衡器來說其對(duì)刷新率要求并不是很高，所以對(duì)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(shì)，可以設(shè)計(jì)出太陽能衡器。目前世強(qiáng)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(cè)量精度
 超低的電流消耗:
  -  正常測(cè)量模式時(shí)最低整體電流消耗17µA
  -  在掃描模式僅8 µA
 在掃描模式也會(huì)有持續(xù)的測(cè)量, 可以自動(dòng)檢測(cè)重量 (”Auto-On “)
 無需電池
 “綠色產(chǎn)品” – 環(huán)境保護(hù)的電子秤

                             
方案2、太陽能廚房秤：
 5000 分度./3Hz 廚房秤 可以僅用太陽能電池板驅(qū)動(dòng)  (1mV/V, 25µA, 單點(diǎn)廚房秤)
 10000 分度./6Hz 廚房秤 帶有 2xAAA 電池 --> 6000 工作小時(shí)
 可以應(yīng)用半橋傳感器沒有任何精度損失

5.2 PS081在數(shù)字傳感器中的應(yīng)用

   今天的數(shù)字傳感器提供了高靈活性以及可替代性，但是傳感器成本太高，應(yīng)用PICOSTRAIN電路可以生產(chǎn)制造更加簡(jiǎn)單而且廉價(jià)的未來數(shù)字傳感器。
 PICOSTRAIN提供了革新的溫度補(bǔ)償測(cè)量，無需機(jī)械調(diào)整傳感器，溫度補(bǔ)償非常容易
 提高了傳感器整體性能質(zhì)量，可以滿足OIML6000分度
 PICOSTRAIN單芯片為數(shù)字傳感器提供了高靈活性
 PICOSTRAIN測(cè)量原理可以靈活配置調(diào)整
 高精度測(cè)量（最高20萬峰-峰值顯示分度）
 低功耗測(cè)量（最低功耗小于20u A）
 高速測(cè)量（最高速度可以達(dá)到1000Hz）
 單芯片解決方案讓電路設(shè)計(jì)更加緊湊
 與單片機(jī)或者接收器的通信可由SPI接口來完成

 
結(jié)語

PS081是德國acam公司的一項(xiàng)創(chuàng)新型產(chǎn)品，一經(jīng)推出市場(chǎng)就給中國的衡器市場(chǎng)乃至世界的衡器市場(chǎng)帶來了一個(gè)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(chǎng)發(fā)展的潮流，既符合了世界對(duì)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，也為衡器技術(shù)的發(fā)展提供了一個(gè)很好的契機(jī)。故該芯片一經(jīng)推出就受到了市場(chǎng)的廣泛關(guān)注，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(chǎng)，而數(shù)字傳感器將是一個(gè)新的開端！
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