摘 要

近年来，随着社会工业化和信息化进程的不断推进，数据采集与处理方面的重要性尤为凸显，而针对数据的变化性和不可控性，应变传感器在这一方面的作用日益加重，目前市场上多数采用电阻应变片来完成测量量到电学量的转换。对于一个应变传感器的好坏评价，主要取决于它的灵敏度、误差范围、处理速度等方面，除此之外，还应具有电路简易、成本适中、应用性好等优点。

本文通过应用TDC时间数字转换测量技术对应变量进行采集、测量与统计，并使用多种补偿措施来降低传感器系统的测量误差。因此，本文采用了德国ACAM公司的PS09芯片，该芯片自带TDC时间数字转换模块，并能最大精度的完成数据的采集与处理。通过SPI接口与80C51单片机完成数据传输，经检测，系统分辨率可达皮秒级别，数据处理的误差范围不超过3%。

本文的特色：通过新型集成芯片PS09与新型TDC测量技术实现可广泛应用、可用于深入研究学习的应变传感器。

关键词：TDC；应变传感器；PS09；单片机

Abstract

In recent years, with the continuous advancement of social industrialization and informatization, the importance of data collection and processing has become more prominent, and for the variability and uncontrollability of data, the role of strain sensors in this area has been increasingly increasing Most of the above use resistance strain gauges to complete the conversion of measurement to electrical quantities. The evaluation of a strain sensor is mainly determined by its sensitivity, error range, processing speed, etc. In addition, it should have the advantages of simple circuit, moderate cost, and good applicability.

In this paper, the corresponding variables are collected, measured and counted by applying TDC time-digital conversion measurement technology, and various compensation measures are used to reduce the measurement error of the sensor system. Therefore, this paper uses the PS09 chip of the German ACAM company, which comes with a TDC time digital conversion module, and can complete the data collection and processing with maximum accuracy. Through the SPI interface and the 80C51 single-chip microcomputer to complete the data transmission, after detection, the system resolution can reach picosecond level, the data processing error range does not exceed 3%.

The special feature of this article is to realize the strain sensor which can be widely used and can be used for in-depth study and learning through the new integrated chip PS09.

Keywords: TDC; strain sensor; PS09; microcontroller

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国内外TDC技术研究现状 2

1.2.2 国内外应变传感器研究现状 2

1.3 本文内容与章节安排 3

1.3.1 内容简述 3

1.3.2 本文章节安排 3

第2章 时间数字转换技术分析 5

2.1 TDC技术基本介绍 5

2.2 时间间隔测量技术分类 5

2.2.1直接计数法 5

2.2.2游标法 6

2.2.3抽头延迟线法 6

2.3 实现方法 7

第3章 新型集成芯片PS09介绍 9

3.1 前端模式 9

3.1.1 概括 9

3.1.2 引脚介绍 10

3.1.3 前端模式测量原理 11

3.1.4 工作模式 15

3.1.5 PS09的零漂 17

3.1.6 温度补偿 18

3.1.7 电磁干扰 19

3.2 CPU 20

3.2.1 CPU amp; Memory 20

3.2.2 OTP与EEPROM 20

3.2.3 ALU 21

3.2.4 CPU指令集 22

3.3 PS09评估系统 23

3.3.1 插件模块 23

3.3.2 LCD及驱动 24

3.3.3 称重传感器 25

3.4 DLC评估板开发 26

3.4.1 简述 26

3.4.2 I2C接口 26

3.4.3 UART 28

第4章 电路设计与结果分析 31

4.1 思路分析 31

4.2 放电时间测量 31

4.2.1 放电理论分析 31

4.2.2 电容高应变测量 32

4.2.3 电容微应变测量 34

4.3 电压与灵敏度 35

4.4 结果分析 36

第5章 结论与展望 37

参考文献 38

致谢 39

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

时间是物质存在和运动的重要物理属性之一人们在日常生活中对时间的认知有二：一方面是根据日常生活中的单个事件的发生时刻或多个事件的发生顺序来进行时间的记录；另一方面，针对一个事件或多个事件，通过比较他们发生的时刻的时间间隔大小来进行判定，一般而言是通过记录多个事件的发生时间来进行间隔测量的^[1]。

我们提出一个概念，时间数字测量技术，它是指把时间间隔从物理量转换为数字量。当今市场我们会把转换分辨率大于1纳秒的时间间隔测量称为高精度时间间隔测量，而可实现高精度时间间隔测量的系统或器件统称为高精度时间数字转换器，或称之为时间间隔测量器。