基于PS081數字測量芯片的太陽(yáng)能衡器和數字傳感器設

前言

數字測量芯片PS081的一個(gè)應用方向為太陽(yáng)能衡器。與傳統的電子衡器相比，采用acam公司的數字測量芯片PS081的太陽(yáng)能衡器方案有著(zhù)許多的競爭優(yōu)勢。由于傳統的電子衡器的競爭點(diǎn)僅僅在于價(jià)格，導致中國的衡器廠(chǎng)商為價(jià)格戰而拼盡了利潤，很多廠(chǎng)商賠本賺吆喝，僅僅是為了維持生產(chǎn)線(xiàn)的運轉。而采用PS081的太陽(yáng)能衡器方案將給客戶(hù)帶來(lái)不同的競爭優(yōu)勢——創(chuàng )新的產(chǎn)品理念、環(huán)保的產(chǎn)品內涵和極具競爭力的價(jià)格。在節能環(huán)保理念越來(lái)越深入人心的今天，誰(shuí)的產(chǎn)品更節能環(huán)保，誰(shuí)就占據了這個(gè)市場(chǎng)的主流。因此，PS081在太陽(yáng)能衡器上的方案絕對是中國衡器廠(chǎng)商的最優(yōu)選擇，也是中國衡器廠(chǎng)商的新希望。

數字測量芯片PS081的另一個(gè)應用方向為高精度、高性能數字傳感器。相對于生產(chǎn)技術(shù)成熟，應用廣泛的模擬傳感器來(lái)說(shuō)，數字傳感器目前還僅僅處于技術(shù)發(fā)展階段。雖然目前數字傳感器已經(jīng)可以應用標準的生產(chǎn)流程來(lái)生產(chǎn)，然而在同等的生產(chǎn)流程下，數字傳感器和模擬傳感器相比較，并沒(méi)有多大的優(yōu)勢。而采用數字測量芯片PS081的數字傳感器方案，卻能為數字傳感器帶來(lái)一個(gè)新的方向。通過(guò)全新的測量技術(shù)，來(lái)改進(jìn)現有的生產(chǎn)流程，帶來(lái)意想不到的效費比，使得無(wú)論在商業(yè)角度還是技術(shù)角度都將為數字傳感器的應用打開(kāi)一個(gè)新的篇章。

PS081—單芯片數字測量芯片

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(zhuān)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(jìn)制到7段碼轉換等。還集成了LCD驅動(dòng)，用于電池低壓檢測的嵌入帶隙基準電壓，帶有廉價(jià)的碳阻的溫度測量端口，看門(mén)狗定時(shí)器，串行SPI接口等等。那么外部?jì)H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(shí)間測量原理

2.1 TDC—時(shí)間數字轉換器：

PS081芯片采用來(lái)自于德國acam公司創(chuàng )新的PICOSTRAIN測量原理，而其與其他數模芯片(A/D)最大的不同是，其內部測量是通過(guò)純數字化的TDC(時(shí)間數字轉換器)測量單元為核心來(lái)實(shí)現的。其測量原理如下：

TDC核心測量單元的內部是利用信號通過(guò)邏輯門(mén)的絕對時(shí)間延遲來(lái)精確量化時(shí)間間隔的。也就是說(shuō)它計算了在一定的時(shí)間間隔內有多少個(gè)反向器被通過(guò)，在被測時(shí)間間隔內信號通過(guò)了多少個(gè)反向器。上圖說(shuō)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(xiàn)方法，使精確而相等的邏輯門(mén)時(shí)間延遲成為了現實(shí)。測量結果的精度非常嚴格的依賴(lài)于芯片內部的基礎邏輯門(mén)的延遲時(shí)間。測量精度從10皮秒到 100皮秒可以通過(guò)簡(jiǎn)單的測量?jì)群艘约艾F代化的CMOS技術(shù)輕松達到。

2.2 PICOSTRAIN測量原理：

根據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(guò)測量放電時(shí)間來(lái)間接體現的。放電時(shí)間是測量應變電阻通過(guò)一個(gè)放電電容Cload放電來(lái)獲得。正相變化和反向變化的應變電阻的放電時(shí)間都會(huì )被進(jìn)行測量。兩個(gè)放電時(shí)間的比值則會(huì )反映應變電阻的變化信息。時(shí)間測量是通過(guò)高精度內部時(shí)間單元TDC來(lái)完成的，最高可以獲得15ps的測量精度。(通過(guò)平均可以達到0.5ps)。

在PICOSTRAIN 的測量原理中額外的專(zhuān)利電路和數學(xué)算法對于誤差源如Rdson和比較器的傳播延遲進(jìn)行了補償，結果的精度是非常高的，幾乎沒(méi)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(guò)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(guò)脈沖驅動(dòng)的方式PICOSTRAIN系統可以很容易的控制通過(guò)整個(gè)系統的電流，更重要的是相比數模轉換器而言它極大限度的減少了整個(gè)系統的電流消耗，從而可以實(shí)現了超低功耗的設計!

3、PICOSTRAIN革新的溫度補償方法

PICOSTRAIN測量原理的基本就是通過(guò)傳感器電阻對一個(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(chēng)的PICOSTRAIN全橋連接?？梢韵胂髮τ诿總€(gè)半橋的應變電阻進(jìn)行放電，芯片內部就可以計算出當包括Rspan電阻的路徑時(shí)間，通過(guò)這個(gè)時(shí)間就可以將Rspan電阻的時(shí)間變化計算出來(lái)，通過(guò)這個(gè)計算就可以很容易的獲得Rspan的調整系數，通過(guò)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(shí)現溫度補償。

圖4

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

圖5 PICOSTRAIN補償后的零點(diǎn)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。那么和傳統的ADC方案相比較，PS081的功耗會(huì )怎么樣呢?讓我們來(lái)對PS081和目前市場(chǎng)上主流的ADC做一個(gè)功耗對比：