数字测量芯片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绝对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 是一款绝对完全的单芯片方案，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：

图2 TDC 核心测量单元

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。 [page]

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

4、高精度、低功耗特性

PS081 的最大特性就是高精度和低功耗。那么和传统的ADC 方案相比较，PS081 的功耗会怎么样呢?让我们来对PS081 和目前市场上主流的ADC 做一个功耗对比：

通过上面的表格我们可以看出，无论是在高精度还是在高刷新率下，相对于ADC 来说，PS081 的功耗都是最低的。这也是为什么我们的PS081 可以应用于太阳能衡器的一个原因。下面我们来再看一个图表：

* 峰-峰 值 = 6 Sigma
** 900.000 有效分度或 8 nV RMS 噪声, 工作电压 3.6V 最好应用350Ohm 传感器 ，因为1k ohm 传感器的热噪声比较差

PS081 在10HZ 以上的刷新频率下可以做到10 万分度的衡器，而对于一般的衡器来说其对刷新率要求并不是很高，所以对于acam 的PS081 来说可以做到更高的分度，最高可以达到20 万稳定显示分度！

5、方案介绍

5.1 PS081在太阳能衡器上的应用

采用PS081 在低功耗上的技术优势，可以设计出太阳能衡器。目前世强电讯在太阳能衡器上的方案有太阳能人体秤和太阳能厨房秤两种：

方案1、太阳能人体秤：

· 人体秤精度：150Kg,分辨0.1Kg 的测量精度
· 超低的电流消耗:

- 正常测量模式时最低整体电流消耗17μA
- 在扫描模式仅8 μA

· 在扫描模式也会有持续的测量, 可以自动检测重量 (”Auto-On “)
· 无需电池
· “绿色产品” – 环境保护的电子秤 [page]

方案2、太阳能厨房秤：

· 5000 分度./3Hz 厨房秤 可以仅用太阳能电池板驱动 (1mV/V, 25μA, 单点厨房秤)
· 10000 分度./6Hz 厨房秤 带有 2xAAA 电池 --> 6000 工作小时
· 可以应用半桥传感器没有任何精度损失

5.2 2 PS081在数字传感器中的应用

今天的数字传感器提供了高灵活性以及可替代性，但是传感器成本太高，应用PICOSTRAIN 电路可以生产制造更加简单而且廉价的未来数字传感器。

· PICOSTRAIN 提供了革新的温度补偿测量，无需机械调整传感器，温度补偿非常容易
· 提高了传感器整体性能质量，可以满足OIML6000 分度
· PICOSTRAIN 单芯片为数字传感器提供了高灵活性
· PICOSTRAIN 测量原理可以灵活配置调整
- 高精度测量（最高20 万峰-峰值显示分度）
- 低功耗测量（最低功耗小于20u A）
- 高速测量（最高速度可以达到1000Hz）
· 单芯片解决方案让电路设计更加紧凑
· 与单片机或者接收器的通信可由SPI 接口来完成

结语

PS081 是德国acam 公司的一项创新型产品，一经推出市场就给中国的衡器市场乃至世界的衡器市场带来了一个不小的惊喜。其低功耗和高精度的单芯片方案正符合了当前衡器市场发展的潮流，既符合了世界对节能环保产品的发展趋势，也为衡器技术的发展提供了一个很好的契机。故该芯片一经推出就受到了市场的广泛关注，太阳能人体秤已经批量应用，太阳能厨房秤和其他的太阳能产品正在不断的推出市场，而数字传感器将是一个新的开端！