前言

數(shù)字測(cè)量芯片PS081的一個(gè)應(yīng)用方向?yàn)樘?yáng)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(yáng)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(guó)的衡器廠商為價(jià)格戰(zhàn)而拼盡了利潤(rùn),，很多廠商賠本賺吆喝，僅僅是為了維持生產(chǎn)線(xiàn)的運(yùn)轉(zhuǎn),。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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)——創(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(lái)越深入人心的今天，誰(shuí)的產(chǎn)品更節(jié)能環(huán)保,，誰(shuí)就占據(jù)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(duì)是中國(guó)衡器廠商的最優(yōu)選擇,，也是中國(guó)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)楦呔?、高性?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/數(shù)字傳感器" title="數(shù)字傳感器" target="_blank">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(lái)說(shuō),，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(lái)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(méi)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(lái)一個(gè)新的方向,。通過(guò)全新的測(cè)量技術(shù)，來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的生產(chǎn)流程,，帶來(lái)意想不到的效費(fèi)比,，使得無(wú)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(kāi)一個(gè)新的篇章。

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(zhuān)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(mén)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,。

圖1 PS081內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

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(lái)自于德國(guó)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(guò)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(lái)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(guò)邏輯門(mén)的絕對(duì)時(shí)間延遲來(lái)精確量化時(shí)間間隔的,。也就是說(shuō)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(guò)，在被測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)信號(hào)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(shè)計(jì)，擔(dān)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(xiàn)實(shí),。測(cè)量結(jié)果的精度非常嚴(yán)格的依賴(lài)于芯片內(nèi)部的基礎(chǔ)邏輯門(mén)的延遲時(shí)間。測(cè)量精度從10皮秒到 100皮秒可以通過(guò)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,。

2.2PICOSTRAIN測(cè)量原理：

根據(jù)TDC的這種測(cè)量原理,，德國(guó)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：

圖3 PICOSTRAIN測(cè)量原理

應(yīng)變測(cè)量本身是通過(guò)測(cè)量放電時(shí)間來(lái)間接體現(xiàn)的。放電時(shí)間是測(cè)量應(yīng)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(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(guò)高精度內(nèi)部時(shí)間單

元TDC來(lái)完成的,，最高可以獲得15ps的測(cè)量精度,。(通過(guò)平均可以達(dá)到0.5ps)。

在PICOSTRAIN 的測(cè)量原理中額外的專(zhuān)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(méi)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(guò)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(guò)脈沖驅(qū)動(dòng)的方式PICOSTRAIN系統(tǒng)可以很容易的控制通過(guò)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(guò)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(chēng)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(guò)這個(gè)時(shí)間就可以將Rspan電阻的時(shí)間變化計(jì)算出來(lái),，通過(guò)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(guò)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。

圖4

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(lái)找出相應(yīng)的系數(shù),，由于無(wú)需進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，整個(gè)調(diào)整過(guò)程可以在最終生產(chǎn)好傳感器之后進(jìn)行,，調(diào)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(bǔ)償后的零點(diǎn)偏移和OIML6000標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(huì)怎么樣呢?讓我們來(lái)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(guò)上面的表格我們可以看出,，無(wú)論是在高精度還是在高刷新率下,，相對(duì)于ADC來(lái)說(shuō)，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(yáng)能衡器的一個(gè)原因,。下面我們來(lái)再看一個(gè)圖表：

顯示分度
輸出頻率
應(yīng)變靈敏度
工作電流在3V情況下
衡器類(lèi)型
工作時(shí)間

2.000
3Hz

（6Hz）
1mV/V
1 K?
15u A

（25u A）
太陽(yáng)能
無(wú)需電池

2.000
5Hz
1mV/V
1 K?
????
60 µA

90 µA
郵局稱(chēng)、人體秤,、廚房秤,、包裹稱(chēng)
3.000 hours

(1xCR2032)

5.000
5Hz
1mV/V
1 K?
???
120 µA

220 µA
高端郵局稱(chēng)、廚房秤,、手掌秤
1.500 hours

(1x CR2032)

10.000
5Hz
1mV/V
1 K?
???
300 µA

700 µA
高端手掌秤,、簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)秤
2.000 hours

(1 x CR2430)

15.000**
5Hz
1mV/V
1 K?
???
2.5 mA

6.0 mA
計(jì)價(jià)秤、高端商業(yè)稱(chēng)
1.000 hours

(4xAA Cells)

* 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(wàn)分度的衡器,，而對(duì)于一般的衡器來(lái)說(shuō)其對(duì)刷新率要求并不是很高，所以對(duì)于acam的PS081來(lái)說(shuō)可以做到更高的分度,，最高可以達(dá)到20萬(wàn)穩(wěn)定顯示分度,！

5、方案介紹 5.1 PS081在太陽(yáng)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(yáng)能衡器,。目前世強(qiáng)電訊在太陽(yáng)能衡器上的方案有太陽(yáng)能人體秤和太陽(yáng)能廚房秤兩種：

方案1、太陽(yáng)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(wú)需電池

“綠色產(chǎn)品” – 環(huán)境保護(hù)的電子

方案2,、太陽(yáng)能廚房秤：

5000 分度./3Hz 廚房秤可以?xún)H用太陽(yáng)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(méi)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(lái)數(shù)字傳感器。

PICOSTRAIN提供了革新的溫度補(bǔ)償測(cè)量,，無(wú)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(mǎn)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(wàn)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(lái)完成

結(jié)語(yǔ)

PS081是德國(guó)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(guó)的衡器市場(chǎng)乃至世界的衡器市場(chǎng)帶來(lái)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(yáng)能人體秤已經(jīng)批量應(yīng)用,，太陽(yáng)能廚房秤和其他的太陽(yáng)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(kāi)端！