PS081在太阳能衡器和高精度数字传感器中的应用

前言

数字测量芯片PS081的一个应用方向为太阳能衡器。与传统的电子衡器相比，采用acam公司的数字测量芯片PS081的太阳能衡器方案有着许多的竞争优势。由于传统的电子衡器的竞争点仅仅在于价格，导致中国的衡器厂商为价格战而拼尽了利润，很多厂商赔本赚吆喝，仅仅是为了维持生产线的运转。而采用PS081的太阳能衡器方案将给客户带来不同的竞争优势——创新的产品理念、环保的产品内涵和极具竞争力的价格。在节能环保理念越来越深入人心的今天，谁的产品更节能环保，谁就占据了这个市场的主流。因此，PS081在太阳能衡器上的方案是中国衡器厂商的最优选择，也是中国衡器厂商的新希望。

 

数字测量芯片PS081的另一个应用方向为高精度、高性能数字传感器。相对于生产技术成熟，应用广泛的模拟传感器来说，数字传感器目前还仅仅处于技术发展阶段。虽然目前数字传感器已经可以应用标准的生产流程来生产，然而在同等的生产流程下，数字传感器和模拟传感器相比较，并没有多大的优势。而采用数字测量芯片PS081的数字传感器方案，却能为数字传感器带来一个新的方向。通过全新的测量技术，来改进现有的生产流程，带来意想不到的效费比，使得无论在商业角度还是技术角度都将为数字传感器的应用打开一个新的篇章。

 

 

 

1、PS081—单芯片数字测量芯片

如图1所示，PS081是一款完全的单芯片方案，芯片本身带有acam公司专利的 24位内部集成MCU单片机，2k x 8-位的 EEprom 可擦除编程内部存储器，3 k的 ROM 并带有强大的软件如 48 位乘法和除法或者2进制到7段码转换等。还集成了LCD驱动，用于电池低压检测的嵌入带隙基准电压，带有廉价的碳阻的温度测量端口，看门狗定时器，串行 SPI 接口等等。那么外部仅需要非常少的外部原件就可以设计出高性能高精度，低功耗的衡器。

 

图1 PS081内部结构图

 

2、高精度时间测量原理

2.1 TDC—时间数字转换器：

PS081芯片采用来自于德国acam公司创新的PICOSTRAIN测量原理，而其与其他数模芯片(A/D)最大的不同是，其内部测量是通过纯数字化的TDC（时间数字转换器）测量单元为核心来实现的。其测量原理如下：

 

TDC核心测量单元的内部是利用信号通过逻辑门的绝对时间延迟来精确量化时间间隔的。也就是说它计算了在一定的时间间隔内有多少个反向器被通过，在被测时间间隔内信号通过了多少个反向器。上图说明了这种 TDC的操作原理，非常智慧的电路设计， 担保器件和在芯片上的特殊的布线方法，使精确而相等的逻辑门时间延迟成为了现实。测量结果的精度非常严格的依赖于芯片内部的基础逻辑门的延迟时间。 测量精度从10皮秒到 100皮秒可以通过简单的测量内核以及现代化的CMOS技术轻松达到。

 

2.2 PICOSTRAIN测量原理：

根据TDC的这种测量原理，德国acam公司将这种原理应用到了电阻应变的测量上，获得了非常好的效果，这种TDC和应变传感器测量的结合就是PICOSTRAIN测量原理。下图为PICOSTRAIN测量原理图：

图3 PICOSTRAIN测量原理

 

应变测量本身是通过测量放电时间来间接体现的。放电时间是测量应变电阻通过一个放电电容Cload放电来获得。正相变化和反向变化的应变电阻的放电时间都会被进行测量。两个放电时间的比值则会反映应变电阻的变化信息。时间测量是通过高精度内部时间单元TDC来完成的，最高可以获得15ps的测量精度。(通过平均可以达到0.5ps)。

 

在PICOSTRAIN 的测量原理中额外的专利电路和数学算法对于误差源如Rdson和比较器的传播延迟进行了补偿，结果的精度是非常高的，几乎没有增益误差和温度的影响。 由于这种补偿我们定义了一次测量结果由8次充电放电构成。根据测量原理，PICOSTRAIN并不需要全桥模式，半桥式测量就已经足够。 半桥的供电直接通过PICOSTRAIN的电路供电，不需要额外给应变电阻供电， 而且参考电压也不要求。 而通过脉冲驱动的方式PICOSTRAIN系统可以很容易的控制通过整个系统的电流，更重要的是相比数模转换器而言它极大限度的减少了整个系统的电流消耗，从而可以实现了超低功耗的设计！

 

3、PICOSTRAIN革新的温度补偿方法

 

PICOSTRAIN测量原理的基本就是通过传感器电阻对一个电容（Cload）进行放电，然后记录放电的时间。将传感器链接成两个半桥，另外Rspan电阻连接到中间的一个半桥上，组成我们所称的PICOSTRAIN全桥连接。可以想象对于每个半桥的应变电阻进行放电，芯片内部就可以计算出当包括Rspan电阻的路径时间，通过这个时间就可以将Rspan电阻的时间变化计算出来，通过这个计算就可以很容易的获得Rspan的调整系数，通过和PS081芯片内部的增益补偿寄存器TKGain配合就可以很容易的实现温度补偿。

图4

 

 

为了调整增益和零点偏移，需要仅一次的温度试验来找出相应的系数，由于无需进行手动调整，整个调整过程可以在最终生产好传感器之后进行，调整的过程需要很少的时间，却可以非常的精确！参见下图：

图5 PICOSTRAIN补偿后的零点偏移和OIML6000标准对比图