前言

　　數(shù)字測量芯片PS081的一個應(yīng)用方向為太陽能衡器。與電子衡器耗電量大的主要是傳感器、ADC、MCU三大塊。為此，通常的解決方案需要采用以下方法來實現(xiàn)整體低功耗特性：對傳感器采用間歇供電或脈沖供電來降低傳感器用電功耗；采用高阻應(yīng)變傳感器；提高ADC輸出速率，減少每次采樣時間從而降低采樣功耗；提高ADC有效位，以在高速下保證衡器；提高SoC運行速度以降低每MHz的功耗；降低LCD驅(qū)動電路功耗；提高集成度，減少外圍器件……

　　數(shù)字測量芯片PS081的另一個應(yīng)用方向為高、高性能數(shù)字傳感器。相對于生產(chǎn)技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛的模擬傳感器來說，數(shù)字傳感器目前還僅僅處于技術(shù)發(fā)展階段。而采用數(shù)字測量芯片PS081的數(shù)字傳感器方案，卻能為數(shù)字傳感器帶來一個新的方向。通過全新的測量技術(shù)，來改進現(xiàn)有的生產(chǎn)流程，帶來意想不到的效費比，使得無論在商業(yè)角度還是技術(shù)角度都將為數(shù)字傳感器的應(yīng)用打開一個新的篇章。

　　1、PS081—單芯片數(shù)字測量芯片

　　如圖1所示，PS081是一款完全的單芯片方案，芯片本身帶有acam公司的 24位內(nèi)部集成MCU單片機，2k x 8-位的 EEprom 可擦除編程內(nèi)部存儲器，用于電池低壓檢測的嵌入帶隙基準電壓，帶有廉價的碳阻的溫度測量端口，看門狗定時器，串行 SPI 接口等等。那么外部僅需要非常少的外部原件就可以設(shè)計出高性能高，低功耗的衡器。

　　圖1 PS081內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　2、高時間測量原理

    2.1 TDC—時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器：

　　PS081芯片采用來自于德國acam公司創(chuàng)新的PICOSTRAIN測量原理，而其與其他數(shù)模芯片（A/D）的不同是，其內(nèi)部測量是通過純數(shù)字化的TDC（時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器）測量單元為來實現(xiàn)的。其測量原理如下：

　　TDC是Internet Explorer 4.0及以上版本提供的一個組件，它以有界定符文本文件作為數(shù)據(jù)來源，利用緩沖機制，在本地機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的動態(tài)控制，并支持Recordset集的屬性和方法。如果將TDC數(shù)據(jù)綁定到WEB頁面的HTML元素，可以不依賴ASP、CGI等服務(wù)器端處理邏輯，實現(xiàn)用戶與頁面的動態(tài)交互，減少動態(tài)網(wǎng)頁對服務(wù)器的依賴程度，減輕服務(wù)器的壓力和緩解網(wǎng)絡(luò)擁擠。

　　TDC測量單元的內(nèi)部是利用信號通過邏輯門的時間延遲來量化時間間隔的。也就是說它計算了在一定的時間間隔內(nèi)有多少個反向器被通過，在被測時間間隔內(nèi)信號通過了多少個反向器。測量結(jié)果的非常嚴格的依賴于芯片內(nèi)部的基礎(chǔ)邏輯門的延遲時間。測量從10皮秒到 100皮秒可以通過簡單的測量內(nèi)核以及現(xiàn)代化的CMOS技術(shù)輕松達到。

　　2.2PICOSTRAIN測量原理：

　　根據(jù)TDC的這種測量原理，德國acam公司將這種原理應(yīng)用到了電阻應(yīng)變的測量上，獲得了非常好的效果，這種TDC和應(yīng)變傳感器測量的結(jié)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(yīng)變測量本身是通過測量放電時間來間接體現(xiàn)的。放電時間是測量應(yīng)變電阻通過一個放電電容Cload放電來獲得。正相變化和反向變化的應(yīng)變電阻的放電時間都會被進行測量。兩個放電時間的比值則會反映應(yīng)變電阻的變化信息。時間測量是通過高內(nèi)部時間單元TDC來完成的，可以獲得15ps的測量。（通過平均可以達到0.5ps）。

　　在PICOSTRAIN 的測量原理中額外的電路和數(shù)學算法對于誤差源如Rdson和比較器的傳播延遲進行了補償，結(jié)果的是非常高的，幾乎沒有增益誤差和溫度的影響。 由于這種補償我們定義了測量結(jié)果由8次充電放電構(gòu)成。半橋的供電直接通過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。而通過脈沖驅(qū)動的方式PICOSTRAIN系統(tǒng)可以很容易的控制通過整個系統(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系統(tǒng)的電流消耗，從而可以實現(xiàn)了超低功耗的設(shè)計！

　　3、PICOSTRAIN革新的溫度補償方法

　　PICOSTRAIN測量原理的基本就是通過傳感器電阻對一個電容（Cload）進行放電，然后記錄放電的時間。將傳感器鏈接成兩個半橋，另外Rspan電阻連接到中間的一個半橋上，組成我們所稱的PICOSTRAIN全橋連接?？梢韵胂髮τ诿總€半橋的應(yīng)變電阻進行放電，芯片內(nèi)部就可以計算出當包括Rspan電阻的路徑時間，通過這個時間就可以將Rspan電阻的時間變化計算出來，通過這個計算就可以很容易的獲得Rspan的調(diào)整系數(shù)，通過和PS081芯片內(nèi)部的增益補償寄存器TKGain配合就可以很容易的實現(xiàn)溫度補償。

　　PICOSRAIN原理將電阻應(yīng)變的測量轉(zhuǎn)化成為對放電時間的測量。 的測量方法使測量的可以與高端24位數(shù)模轉(zhuǎn)換器相媲美。，同時對于零點和增益溫度漂移的補償以及對于PICOSTRAIN的調(diào)整使其可以擊敗其他任何競爭對手。因此PICOSTRAIN 產(chǎn)品非常適合于測量電阻應(yīng)變。 這里有一點使 PICOSTRAIN是不可戰(zhàn)勝的：  整個傳感器的超低電流消耗 - 轉(zhuǎn)換器-系統(tǒng)。 可以使用與電池驅(qū)動系統(tǒng)， 尤其在無線應(yīng)變傳感器測量中可以很顯著的延長操作時間。

　　測量電阻應(yīng)變是傳感器技術(shù)的一個非常大的挑戰(zhàn)。由于在滿度時僅0.2%（2000ppm）的微小變化和16位的高要求或更高，電阻值必須要被非常的在ppb范圍內(nèi)測量。這一點只能通過測量電阻的比值來實現(xiàn)。

　　這里  測量原理引入了全新的方法。電阻的比值通過時間間隔的測量來求出，而不是像惠斯通電橋通過電壓變化來求得。傳感器和電容一起構(gòu)成了一個低通濾波器。電容器先充電到 Vcc,然后通過傳感器電阻進行放電。 放電到闞值電壓（可調(diào)整）的時間由TDC（時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器）的測量出來。

　　圖4

　　為了調(diào)整增益和零點偏移，需要僅的溫度試驗來找出相應(yīng)的系數(shù)，由于無需進行手動調(diào)整，整個調(diào)整過程可以在終生產(chǎn)好傳感器之后進行，調(diào)整的過程需要很少的時間，卻可以非常的！參見下圖：

　　圖5 PICOSTRAIN補償后的零點偏移和OIML6000標準對比圖

　　4、高、低功耗特性

　　PS081的特性就是高和低功耗。那么和傳統(tǒng)的ADC方案相比較，PS081的功耗會怎么樣呢？讓我們來對PS081和目前市場上主流的ADC做一個功耗對比：

　　電流消耗

　　PS081

　　ADS1230

　　CS5532-BS

　　在測量速度轉(zhuǎn)換器電流（不包括傳感器）

　　0.39mA

　　0.995mA

　　16mA

　　測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

　　通過上面的表格我們可以看出，PS081的功耗都是的。這也是為什么我們的PS081可以應(yīng)用于太陽能衡器的一個原因。下面我們來再看一個圖表：

　　顯示分度

　　輸出頻率

　　應(yīng)變靈敏度

　　工作電流在3V情況下

　　衡器類型

　　工作時間

　　2.000

　　3Hz

　　（6Hz）

　　1mV/V

　　1 K?

　　15u A

　?。?5u A）

　　太陽能

　　無需電池

　　2.000

　　5Hz

　　1mV/V

　　1 K?

　　????

　　60 μA

　　90 μA

　　郵局稱、人體秤、廚房秤、包裹稱

　　3.000 hours

　　（1xCR2032）

　　5.000

　　5Hz

　　1mV/V

　　1 K?

　　???

　　120 μA

　　220 μA

　　高端郵局稱、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、簡單計數(shù)秤

　　2.000 hours

　?。? x CR2430）

　　15.000**

　　5Hz

　　1mV/V

　　1 K?

　　???

　　2.5 mA

　　6.0 mA

　　計價秤、高端商業(yè)稱

　　1.000 hours

　　* 峰-峰 值 = 6 Sigma

　　900.000 有效分度或 8 nV RMS 噪聲， 工作電壓 3.6V應(yīng)用350Ohm傳感器 ，因為1k 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10萬分度的衡器，所以對于acam的PS081來說可以做到更高的分度，可以達到20萬穩(wěn)定顯示分度！

　　5、方案介紹 5.1 PS081在太陽能衡器上的應(yīng)用

　　采用PS081在低功耗上的技術(shù)優(yōu)勢，可以設(shè)計出太陽能衡器。目前世強電訊在太陽能衡器上的方案有太陽能人體秤和太陽能廚房秤兩種：

　　方案1、太陽能人體秤：

　　人體秤：150Kg,分辨0.1Kg的測量

　　超低的電流消耗：

　　- 正常測量模式時整體電流消耗17μA

　　- 在掃描模式僅8 μA

　　在掃描模式也會有持續(xù)的測量， 可以自動檢測重量 （”Auto-On “）

　　無需電池

　　“綠色產(chǎn)品” – 環(huán)境保護的電子

　　方案2、太陽能廚房秤：

　　5000 分度。/3Hz 廚房秤可以僅用太陽能電池板驅(qū)動 （1mV/V, 25μA, 單點廚房秤）

　　10000 分度。/6Hz 廚房秤帶有 2xAAA 電池 --> 6000 工作小時

　　可以應(yīng)用半橋傳感器沒有任何損失

　　5.2 PS081在數(shù)字傳感器中的應(yīng)用

　　PICOSTRAIN提供了革新的溫度補償測量，無需機械調(diào)整傳感器，溫度補償非常容易

　　提高了傳感器整體性能質(zhì)量，可以滿足OIML6000分度

　　PICOSTRAIN單芯片為數(shù)字傳感器提供了高靈活性

　　PICOSTRAIN測量原理可以靈活配置調(diào)整

　　高測量（20萬峰-峰值顯示分度）

　　低功耗測量（功耗小于20u A）

　　高速測量（速度可以達到1000Hz）

　　與單片機或者接收器的通信可由SPI接口來完成

　　結(jié)語

　　PS081的推出，受到廣大的技術(shù)人員的應(yīng)用，其低功耗和高的單芯片方案正符合了當前衡器市場發(fā)展的潮流，既符合了世界對節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，也為衡器技術(shù)的發(fā)展提供了一個很好的契機。故該芯片一經(jīng)推出就受到了市場的廣泛關(guān)注，太陽能人體秤已經(jīng)批量應(yīng)用，太陽能廚房秤和其他的太陽能產(chǎn)品正在不斷的推出市場，而數(shù)字傳感器將是一個新的開始。
  

參考文獻:

[1]. ADS1230 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/ADS1230_1312656.html.
[2]. CS5532-BS datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/CS5532-BS_1053580.html.