對(duì)基于力敏元件的天平系統(tǒng)偏移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐?/h1>
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時(shí)間：2009-12-23
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
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設(shè)計(jì)電阻橋式傳感器與5V單電源供電的ADC之間的接口是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。有些應(yīng)用需要輸出電壓在0V到滿(mǎn)量程電壓（如4.096V）之間以高精度波動(dòng)。對(duì)大多數(shù)單電源儀表放大器，當(dāng)輸出信號(hào)接近0V、接近單電源低輸出擺幅限制時(shí)，會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。一個(gè)好的單電源儀表放大器可在接近于單電源地電壓的范圍內(nèi)擺動(dòng),即使有真正的滿(mǎn)擺幅輸出，也不能達(dá)到地電壓。
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/181127.htm
在本應(yīng)用中，傳感器是一個(gè)精密的力敏元件，其額定負(fù)載為5kg，即約11磅。在鋁盤(pán)上測(cè)重大約為150g的物體，即大約5盎司。由于鋁盤(pán)自重，即使沒(méi)有任何物體稱(chēng)重，儀表放大器的輸出信號(hào)也不能低到0V。現(xiàn)在，問(wèn)題是如何補(bǔ)償儀表放大器的輸出偏移電壓和鋁盤(pán)本身產(chǎn)生的電壓。
軟件彌補(bǔ)系統(tǒng)偏移是最簡(jiǎn)單的方法。在加電期間，鋁盤(pán)上沒(méi)有稱(chēng)重物體，系統(tǒng)可以獲取偏移電壓，并將數(shù)據(jù)記錄在微控制器內(nèi)存中。隨后，當(dāng)有物體稱(chēng)重時(shí)，從獲得的數(shù)據(jù)中減去它即可。但是，這種做法不能達(dá)到天平的5kg滿(mǎn)量程，僅能達(dá)到4.85kg。
本設(shè)計(jì)實(shí)例說(shuō)明如何利用微控制器實(shí)現(xiàn)硬件補(bǔ)償。當(dāng)加電后，運(yùn)行軟件程序復(fù)位系統(tǒng)偏移。解決方案如圖1所示，基于四個(gè)來(lái)自Linear Technology公司IC的簡(jiǎn) 單電路。精密電壓基準(zhǔn)IC1，有高達(dá)50mA的最小輸出電流。它提供4.096V輸出電壓驅(qū)動(dòng)力敏元件，并設(shè)置12位ADC（IC3）的滿(mǎn)量程范圍。高精度儀表放大器LT1789-1（IC2）的特點(diǎn)是在0℃~70℃溫度范圍內(nèi)，最大輸入失調(diào)電壓為150mV，滿(mǎn)擺幅輸出電壓相對(duì)地電壓110mV范圍內(nèi)擺動(dòng)時(shí)，最大輸入失調(diào)偏移電壓是0.5mV/℃。通過(guò)精密電阻R2 （阻值為500Ω）設(shè)定增益，當(dāng)稱(chēng)重是5kg時(shí)，輸出范圍為4.096V，其最大輸入信號(hào)是VCC×S=4.096V×2mV/V=8.192mV，這里 S是該傳感器的靈敏度。
雙通道DAC（IC4）的DAC_A輸出在儀表放大器參考引腳處提供200mV的參考電壓，以避免放大器本身地飽和，但傳輸特性不是線(xiàn)性關(guān)系。放大器最壞情況下輸出偏移是：VREF+VPAN±VOFFSET=200mV+125mV±500×150mV= 325mV±75mV=250mV/400mV，這里VPAN=125mV，是鋁盤(pán)自重產(chǎn)生的電壓值。
因此系統(tǒng)輸出偏移是250mV 到400mV。加電后，微控制器運(yùn)行一個(gè)程序設(shè)置DAC_A輸出為200mV，同時(shí)，增加雙通道DAC（IC4）的DAC_B輸出直到等于ADC （IC3）管腳2上的系統(tǒng)偏移，轉(zhuǎn)換結(jié)果就是000h。這一結(jié)果是可能的，因?yàn)镮C4包含兩個(gè)12位2.5V滿(mǎn)量程電壓的DAC，最低有效位（LSB）等于0.61mV，小于分辨率為1mV的IC3。這個(gè)數(shù)字相當(dāng)于該天平的分辨率：5000g/4096=1.22g。當(dāng)最大負(fù)載5kg時(shí)，儀表放大器的最大輸出電壓是4.096V + VOUT_TOTAL_OFFSET_INA = 4.346V/4.496V，低于4.62V高飽和狀態(tài)下溫度的最壞情況。
IC3有一個(gè)單極差分輸入，所以可以從+IN輸入電壓中減去一個(gè)恒定電壓值等于IC4的DAC_B提供的系統(tǒng)偏移。在第一個(gè)半時(shí)鐘周期內(nèi)，ADC采樣和保持正向輸入電壓。這階段結(jié)束，或在采集時(shí)間內(nèi)，輸入電容切換到負(fù)輸入并開(kāi)始轉(zhuǎn)換。在IC3輸入端的RC輸入濾波器的時(shí)間常數(shù)為0.5ms，允許正負(fù)輸入電壓采用最高為200kHz時(shí)鐘頻率在轉(zhuǎn)換時(shí)間的第一時(shí)鐘周期內(nèi)達(dá)到12位精度。如果想增加時(shí)間常數(shù)，必須采用較低時(shí)鐘頻率。
此外，DAC和ADC有一個(gè)三線(xiàn)串行接口，可方便地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶罡卟蓸勇蕿?2.5kS/s的寬范圍微控制器。當(dāng)ADC處于沒(méi)有轉(zhuǎn)換的時(shí)候，它會(huì)自動(dòng)把功率降至1nA的電源電流，而且如果微控制器通過(guò)其引腳3來(lái)關(guān)閉 IC1，電路限制電源電流在最壞情況下僅為1mA，因?yàn)樗械腎C集成電路都是微功耗的。
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本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/181127.htm
在本應(yīng)用中，傳感器是一個(gè)精密的力敏元件，其額定負(fù)載為5kg，即約11磅。在鋁盤(pán)上測(cè)重大約為150g的物體，即大約5盎司。由于鋁盤(pán)自重，即使沒(méi)有任何物體稱(chēng)重，儀表放大器的輸出信號(hào)也不能低到0V。現(xiàn)在，問(wèn)題是如何補(bǔ)償儀表放大器的輸出偏移電壓和鋁盤(pán)本身產(chǎn)生的電壓。
軟件彌補(bǔ)系統(tǒng)偏移是最簡(jiǎn)單的方法。在加電期間，鋁盤(pán)上沒(méi)有稱(chēng)重物體，系統(tǒng)可以獲取偏移電壓，并將數(shù)據(jù)記錄在微控制器內(nèi)存中。隨后，當(dāng)有物體稱(chēng)重時(shí)，從獲得的數(shù)據(jù)中減去它即可。但是，這種做法不能達(dá)到天平的5kg滿(mǎn)量程，僅能達(dá)到4.85kg。
本設(shè)計(jì)實(shí)例說(shuō)明如何利用微控制器實(shí)現(xiàn)硬件補(bǔ)償。當(dāng)加電后，運(yùn)行軟件程序復(fù)位系統(tǒng)偏移。解決方案如圖1所示，基于四個(gè)來(lái)自Linear Technology公司IC的簡(jiǎn) 單電路。精密電壓基準(zhǔn)IC1，有高達(dá)50mA的最小輸出電流。它提供4.096V輸出電壓驅(qū)動(dòng)力敏元件，并設(shè)置12位ADC（IC3）的滿(mǎn)量程范圍。高精度儀表放大器LT1789-1（IC2）的特點(diǎn)是在0℃~70℃溫度范圍內(nèi)，最大輸入失調(diào)電壓為150mV，滿(mǎn)擺幅輸出電壓相對(duì)地電壓110mV范圍內(nèi)擺動(dòng)時(shí)，最大輸入失調(diào)偏移電壓是0.5mV/℃。通過(guò)精密電阻R2 （阻值為500Ω）設(shè)定增益，當(dāng)稱(chēng)重是5kg時(shí)，輸出范圍為4.096V，其最大輸入信號(hào)是VCC×S=4.096V×2mV/V=8.192mV，這里 S是該傳感器的靈敏度。
雙通道DAC（IC4）的DAC_A輸出在儀表放大器參考引腳處提供200mV的參考電壓，以避免放大器本身地飽和，但傳輸特性不是線(xiàn)性關(guān)系。放大器最壞情況下輸出偏移是：VREF+VPAN±VOFFSET=200mV+125mV±500×150mV= 325mV±75mV=250mV/400mV，這里VPAN=125mV，是鋁盤(pán)自重產(chǎn)生的電壓值。
因此系統(tǒng)輸出偏移是250mV 到400mV。加電后，微控制器運(yùn)行一個(gè)程序設(shè)置DAC_A輸出為200mV，同時(shí)，增加雙通道DAC（IC4）的DAC_B輸出直到等于ADC （IC3）管腳2上的系統(tǒng)偏移，轉(zhuǎn)換結(jié)果就是000h。這一結(jié)果是可能的，因?yàn)镮C4包含兩個(gè)12位2.5V滿(mǎn)量程電壓的DAC，最低有效位（LSB）等于0.61mV，小于分辨率為1mV的IC3。這個(gè)數(shù)字相當(dāng)于該天平的分辨率：5000g/4096=1.22g。當(dāng)最大負(fù)載5kg時(shí)，儀表放大器的最大輸出電壓是4.096V + VOUT_TOTAL_OFFSET_INA = 4.346V/4.496V，低于4.62V高飽和狀態(tài)下溫度的最壞情況。
IC3有一個(gè)單極差分輸入，所以可以從+IN輸入電壓中減去一個(gè)恒定電壓值等于IC4的DAC_B提供的系統(tǒng)偏移。在第一個(gè)半時(shí)鐘周期內(nèi)，ADC采樣和保持正向輸入電壓。這階段結(jié)束，或在采集時(shí)間內(nèi)，輸入電容切換到負(fù)輸入并開(kāi)始轉(zhuǎn)換。在IC3輸入端的RC輸入濾波器的時(shí)間常數(shù)為0.5ms，允許正負(fù)輸入電壓采用最高為200kHz時(shí)鐘頻率在轉(zhuǎn)換時(shí)間的第一時(shí)鐘周期內(nèi)達(dá)到12位精度。如果想增加時(shí)間常數(shù)，必須采用較低時(shí)鐘頻率。
此外，DAC和ADC有一個(gè)三線(xiàn)串行接口，可方便地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶罡卟蓸勇蕿?2.5kS/s的寬范圍微控制器。當(dāng)ADC處于沒(méi)有轉(zhuǎn)換的時(shí)候，它會(huì)自動(dòng)把功率降至1nA的電源電流，而且如果微控制器通過(guò)其引腳3來(lái)關(guān)閉 IC1，電路限制電源電流在最壞情況下僅為1mA，因?yàn)樗械腎C集成電路都是微功耗的。
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