高精度自動測重系統(tǒng)的設計
摘 要:設計并實現(xiàn)一種高精度自動測重系統(tǒng)。簡要介紹利用斬波運放lCL7652、高精度A/DMAXll56和8051單片機進行數(shù)據(jù)測量的電路設計;詳細分析微弱信號放大的主要限制因素,零輸入誤差和噪聲的影響,計算并給出前置級運放關鍵外接元件的取值;介紹系統(tǒng)工作過程和相應軟件設計方法。
關鍵詞:微弱信號放大 零輸入誤差 噪聲 ICL7652 MAXll56
引 言
自動測重系統(tǒng)的任務就是每隔一段時間或在主機控制下精確稱量所加物體的重量,將其在液晶屏幕上顯示并通過串行接口傳送到主機。為了使所稱量物體在需要的時候才落到稱量系統(tǒng)上.需要步進電機控制物體的起降。系統(tǒng)要求在較大溫度范圍內(nèi)長時間穩(wěn)定工作,可作為智能數(shù)據(jù)采集終端置于野外,負責重量數(shù)據(jù)的采集和處理。本文介紹的系統(tǒng)正是針對這樣的要求而開發(fā)出來的。
1 總體設計方案
整個系統(tǒng)由中央處理單元、時鐘芯片、液晶模塊、步進電機模塊、串行通信芯片、運放調(diào)理單元、A/D轉換芯片、模擬電源模塊和數(shù)字電源模塊等幾部分組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。
運放調(diào)理單元將測重傳感器送出的極微弱信號放大為O~4.096 V的模擬電壓信號,并濾除低頻干擾信號,經(jīng)A/D轉換得到數(shù)字量送給中央處理器進行信號處理,中央處理器同時控制和主機之間的通信及步進電機的運動。
2 硬件電路設計
硬件系統(tǒng)設計的難點在于運放電路的設計,微弱信號的放大和濾波是其主要功能。穩(wěn)定的電源系統(tǒng)是整體電路工作正常的基礎,特別是模擬信號部分電源更是要求紋波頻率低、幅度小,以保證傳感器激勵和運放工作的要求。步進電機驅動、通信模塊可采用常規(guī)模塊實現(xiàn)。
2.1 運放調(diào)理
運放調(diào)理模塊負責將測重傳感器輸出的微弱差分電壓信號變送為0~4.096 V的穩(wěn)定信號,傳感器精度達到O.Ol%F.S,靈敏度達到1.2 mV/V。在采用10V電源供電時,可知其滿量程輸出為12 mV,分辨力為1.2 μ 。要分辨出如此微小的信號,這就對運放的選擇提出了嚴格的要求,其失調(diào)電壓、溫漂和噪聲性能必須不致影響到測量的精度。系統(tǒng)選用Maxim公司高精度ICL7652斬波放大器,采用如圖2所示的放大電路,可以分析運放中小信號的放大性能。
為了最大限度的減小測量電路對測重傳感器的影響,運放使用了具有高輸入阻抗的同相放大接法。傳感器采用電橋結構,輸出的是差分型信號,而斬波運放并不直接支持差分信號的放大,為此將傳感器激勵電壓相對測量電路部分浮置,將差分信號一端直接接測量地,這樣差分信號可以作為單端信號加以放大。理想的運放輸入輸出之間滿足下面的線性關系:
實際的運放存在失調(diào)電流、失調(diào)電壓和噪聲,要滿足:
OZE為運放的零輸出誤差,Eno為輸出噪聲,在進行微弱信號放大的情況下,OZE、Eno對放大性能產(chǎn)生不可忽略的影響,必須分析這兩項參數(shù)的大小,確保運放達到要求的分辨力。
2.1.1 OZE的計算
考慮運放輸入失調(diào)電壓、偏置電流的影響,圖2所示的放大電路轉換為圖3的模型。
圖3中,Rg為電橋輸出阻抗,In、Ip為運放輸入失調(diào)電流,Vio為失調(diào)電壓。通過計算得到輸出電壓滿足下式:
2.1.2 Eno計算
噪聲是一種隨機過程,只能評估它最壞情形下的影響,電路中主要的噪聲源是外接電阻的熱噪聲和運放的電壓、電流噪聲,考慮了這幾種噪聲源的運放模型如圖4所示。
圖4中,Es、E1、E2為電阻熱噪聲源,Eio為運放電壓噪聲源,用相應電壓譜密度表征;Inl、Ipl為運放電流噪聲源,用相應電流譜密度表征。計算得到輸出電壓噪聲譜密度為:
Ex為電壓功率譜密度,Ix為電流功率譜密度。運放的電壓噪聲譜和電流噪聲譜由數(shù)據(jù)手冊給出。由于其噪聲主要在低頻范圍以1/f噪聲形式存在,手冊中給出的是0~10 Hz內(nèi)電壓噪聲峰一峰值enp-p和電流噪聲平均譜密度ino電阻的熱噪聲計算方法為:
式中B為噪聲帶寬,R為電阻值。
2.1.3 外接電阻的選擇和性能分析
外接反饋電阻的作用在于提供一定的放大倍數(shù),但它們也對零輸出誤差和輸出噪聲產(chǎn)生影響,必須精心選擇阻信以控制誤善和噪聲。
首先考慮電阻對OZE的影響,式(4)中Vio的實際符號是未知的,最壞情況下是失調(diào)電壓和電流的貢獻相加:
將0ZE折算到運放輸入端,即將OZE除以放大倍數(shù)(1+Rl/R2),得等效輸入零誤差IZE:
IZE=Vin+In(R1∥R2)一JpR。 (8)
可以看出.若Rs與Rl//R2失配過大,。IZE將增大,一般采用Rs和R1//R2匹配。
IZE=Vin+(Rl∥R2)(In一Jp)=Vio++RsIos(9)
Los為運放失調(diào)電流。測重傳感器的輸出電阻Rs為300 Ω ICL7652在25℃時Vio為0.7μV,Ios為O.5 pA,代入式(9)有
IZE=0.7μV
IZE的主要來源是運放失調(diào)電壓Vio。
當計算運放噪聲時,需考慮測量信號的頻率范圍。稱量系統(tǒng)主要會遇到低頻干擾,如風力引起的系統(tǒng)小幅搖動、稱量物落到系統(tǒng)上導致的沖擊震動等,故稱量系統(tǒng)采用低通濾波器,同時為了測量值較快而穩(wěn)定,濾波頻率不能過低,最終選定截頻fH為10 Hz,噪聲電壓為:
以enP-p、In替代運放相應譜密度,將式(5)、式(6)代入式(10)計算得到;
計算中可以發(fā)現(xiàn)V2no的主要來源是運放電壓噪聲項
一般為了避免放大器自激,放大倍數(shù)不可過大,因此設定外接電阻產(chǎn)生21倍的放大,即R1/R2=20,以此倍數(shù)將噪聲電壓折算到輸入端,可得輸入等效噪聲電壓Vni
Vni=Vno/21=O.3μV
綜合以上計算結果,25℃時的運放放大關系應近似滿足:
Vi的分辨力要求是1.2 μV,必須要求IZE、Vni對輸入電壓產(chǎn)生的影響小于分辨力的1/2,即0.6 μV。
實際上IZE的影響與隨機噪聲不同,在固定環(huán)境溫度時可通過軟件方法消除其影響,實際測量產(chǎn)生的影響是IZE隨時間和溫度的漂移特性。在本文所示電路中,IZE主要由Vos璐決定,通過考察Vos的漂移可評價IZE的穩(wěn)定性。ICL7652作為一款斬波運放.其漂移特性穩(wěn)定正是其優(yōu)點。數(shù)據(jù)手冊給出Vos在一20~+85℃內(nèi)隨溫度的漂移典型值為10 nV/℃,隨時間的漂移為100nV/month,在稱量系統(tǒng)的士10℃工作溫度范圍,Vos溫漂在土0.1μV范圍,月均時漂在nV級。噪聲計算涉到 項,溫度變化對R2/R1值影響很小,Vni溫漂可忽略不計。
考慮到IZE、Vni的漂移,它們對Vi產(chǎn)生的不可更正誤
差電壓Verror為:
Verror=0.1 μV+0.3μV=0.4 μV
由于Verror≤O.6μV,可以確定運放電路的外接電阻選擇合適,工作環(huán)境下誤差在可控范圍內(nèi)。
2.1.4運放輸出級
輸出級對測量信號進行低通濾波,并提供緩沖輸出。采用圖5所示一階濾波結構。
為提供10 Hz低通帶寬,Rf、Cf必須滿足:
選擇Rf=1 kΩ、Cf=1.6μF可達到要求。
經(jīng)前置放大后,本級運放對小信號放大性能要求大為降低。分辨力要求為:
1.2 μVAvl=1.2 μV20=24 μV
運放由OP07充當,其Vos漂移為0.6μV/℃,在lO℃工作范圍內(nèi)產(chǎn)生的漂移為6 μV,最大時漂移僅為1.0 μV,而噪聲也為μV級,它們對分辨力不會產(chǎn)生影響。
運放采用5 V雙電壓供電,最終輸出O~4.096 V單極性電壓。
2.2 A/D轉換
MAXll56是Maxlnq公司制造的一種14位并行接口A/D轉換芯片,其單極性模擬電壓輸入范圍可達0~10 V。最大采樣率為L35 ksps,最大轉換時間為4.7 μs,是一款轉換速度較低的芯片,價格適中,滿足系統(tǒng)精度要求。MAXll56采用+5 V單電源供電,以8位并口與主控制器輸出總線直接連接,應用方便。
2.3電源設計
運放的穩(wěn)定放大要求供電電源的高度穩(wěn)定,否則電源的起伏變化會反映在電路輸出端。測重系統(tǒng)由12 V蓄電池供電,電源分配如圖6所示。
傳感器電橋輸出信號中含較大的共模電壓,而差模成分較小,直接將輸出電壓進行放大要求運放提供高數(shù)值的共模抑制比(CMRR)。為降低對運放CMRR的要求,電橋激勵電壓對信號處理電路浮置,輸出信號作為單端信號放大。這種方法完全消除了輸出信號的共模成分,但處理電路中無法對激勵信號采樣進行比例測量,這對電源的穩(wěn)定度提出了很高的要求。為此.采用高精度直流電壓參考源REFl02,應用如圖7所示的電流擴展電路對電橋供電。
輸出電流主要由三極管擴展提供,R兩端電壓為l.3 V,電流滿足:
Rin為電橋輸入電阻,約為400Ω,β口為PNP管電流放大系數(shù),計算得
信號處理電路功耗很低,為減少高頻紋波,采用LD0供電,在輸出端并接20 μF電解電容濾波。
3 軟件設計
系統(tǒng)的主要工作過程為:單片機定時接收主控計算機的指令,控制步進電機的運動,使被稱量物體與測重傳感器接觸,AD芯片產(chǎn)生14位數(shù)字信號,單片機對信號進行校準和數(shù)據(jù)濾波,將處理結果通過RS485總線送主控計算機,并實時在液晶屏顯示。
由于稱量系統(tǒng)采用蓄電池供電,必須考慮節(jié)能措施。主要采用三種方法達到目的:
① 不測量時單片機休眠。
② 構成測量通道的芯片非測量狀態(tài)時不工作。
③ 步進電機非測量狀態(tài)時用靜力矩維持稱量物。
數(shù)據(jù)濾波可以去除lO Hz以內(nèi)低頻干擾,采用在1 s內(nèi)采集若干數(shù)據(jù)點取平均值的算法。I/()口寫初始化值及設置看門狗,可調(diào)用函數(shù)watchdog_init()實現(xiàn)設置看門狗。
打印機的枚舉初始化過程很重要,要實現(xiàn)打印采集到的并口數(shù)據(jù),首先必須成功地枚舉初始化打印機。初始化USB打印機函數(shù)。init_pnnt()主要用
到以下幾個主要函數(shù):
◇get_descr(1),獲取設備描述符。
◇rd_usb_data(buffer),從CH375中讀取數(shù)據(jù)到單片機中。
◇set_addr(3),設置打印機的USB地址。
◇get_full_descr(buffer),獲取配置描述符。
◇set_config(unsigned char cfg),加載USB配置值。
數(shù)據(jù)校準采用文獻[3]所述方法,在每次測量之前預測一次,將實測數(shù)據(jù)與預測數(shù)據(jù)相減得到實際數(shù)據(jù)。
稱量系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。
結語
按此設計制成的高精度自動稱量系統(tǒng)經(jīng)試驗檢驗,稱量精度達O.01 g,量程150 g,稱量結果穩(wěn)定,完全消除了環(huán)境溫度變化對稱量結果的影響。在無人值守的情況下,采用12 V、7 AH蓄電池供電.可不間斷工作200小時。該系統(tǒng)成本低廉,電路板結構緊湊,用戶可按實際需求設置系統(tǒng)為在主機控制下作為一個測量終端或自主工作,這極大減小了測量成本,適用于不方便獲取大量測量數(shù)據(jù)的領域,同時也有利于數(shù)據(jù)的智能處理。
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