传感与控制-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

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图 1 PS081 内部结构图
2、高精度时间测量原理 高精度时间测量原理 2.1 TDC— TDC—时间数字转换器： 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
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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。
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
方案 2、太阳能厨房秤： 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 房秤) (1mV/V, 25µA, 单点厨
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
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5.2 PS081 在数字传感器中的应用
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
作者：陈刚 应用工程师 世强电讯
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。 关键字： 关键字：PS081，时间数字转换器，时间测量，数字传感器，高性能，低功耗
4、高精度、 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：
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电流消耗 在最高测量速度转换器电流（不包括传感器）
PS081
ADS1230 CS5532CS5532-BS
* 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！
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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！ acam 公司中国区总代理世强电讯将为该产品提供全面技术支持， 即日起用户可通过 世强电讯申请 demo 和样片。
1、
PS081— PS081—单芯片数字测量芯片 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。
0.39mA 0.995mA 16mA 30.3mA 15mA
最大测量性能情况下包括传感器在内（350R 传 4.5mA 15mA 感器） 3000 OMIL 分度，5Hz 情况下的整体电流消耗 0.18mA 15mA
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： 显示分度 输 出 频 应 变 灵 工作电流在 3V 情 率 敏度 况下 2.000 3Hz 1mV/V 1 K 15u A （6Hz） （ 25u A） 2.000 5Hz 1mV/V 1 K 60 µA 90 µA 5.000 5Hz 1mV/V 1 K 120 µA 220 µA 1 K 300 µA 700 µA 1 K 2.5 mA 6.0 mA 衡器类型 太阳能 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： 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
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！
10. 10.000
5Hz
1mV/V
15. 15.000** 5Hz
1mV/V
邮局称、人 体秤、厨房 秤、包裹称 高 端 邮 局 称、厨房秤、 手掌秤 高 端 手 掌 秤、简单计 数秤 计价秤、高 端商业称
3.000 hours (1xCR2032) 1.500 hours (1x CR2032) 2.000 hours (1 x CR2430) 1.000 hours (4xAA Cells)
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，
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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：