高精度自動(dòng)測(cè)重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種高精度自動(dòng)測(cè)重系統(tǒng)。簡(jiǎn)要介紹利用斬波運(yùn)放lCL7652、高精度A／DMAXll56和8051單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量的電路設(shè)計(jì)；詳細(xì)分析微弱信號(hào)放大的主要限制因素，零輸入誤差和噪聲的影響，計(jì)算并給出前置級(jí)運(yùn)放關(guān)鍵外接元件的取值；介紹系統(tǒng)工作過(guò)程和相應(yīng)軟件設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：微弱信號(hào)放大 零輸入誤差 噪聲 ICL7652 MAXll56

引 言

自動(dòng)測(cè)重系統(tǒng)的任務(wù)就是每隔一段時(shí)間或在主機(jī)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(guò)串行接口傳送到主機(jī)。為了使所稱量物體在需要的時(shí)候才落到稱量系統(tǒng)上．需要步進(jìn)電機(jī)控制物體的起降。系統(tǒng)要求在較大溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，可作為智能數(shù)據(jù)采集終端置于野外，負(fù)責(zé)重量數(shù)據(jù)的采集和處理。本文介紹的系統(tǒng)正是針對(duì)這樣的要求而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。

1 總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)由中央處理單元、時(shí)鐘芯片、液晶模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、串行通信芯片、運(yùn)放調(diào)理單元、A／D轉(zhuǎn)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(yùn)放調(diào)理單元將測(cè)重傳感器送出的極微弱信號(hào)放大為O～4．096 V的模擬電壓信號(hào)，并濾除低頻干擾信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量送給中央處理器進(jìn)行信號(hào)處理，中央處理器同時(shí)控制和主機(jī)之間的通信及步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)，微弱信號(hào)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(chǔ)，特別是模擬信號(hào)部分電源更是要求紋波頻率低、幅度小，以保證傳感器激勵(lì)和運(yùn)放工作的要求。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、通信模塊可采用常規(guī)模塊實(shí)現(xiàn)。

2.1 運(yùn)放調(diào)理

運(yùn)放調(diào)理模塊負(fù)責(zé)將測(cè)重傳感器輸出的微弱差分電壓信號(hào)變送為0～4．096 V的穩(wěn)定信號(hào)，傳感器精度達(dá)到O．Ol％F．S，靈敏度達(dá)到1．2 mV／V。在采用10V電源供電時(shí)，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(hào)，這就對(duì)運(yùn)放的選擇提出了嚴(yán)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(cè)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(yùn)放中小信號(hào)的放大性能。

為了最大限度的減小測(cè)量電路對(duì)測(cè)重傳感器的影響，運(yùn)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(jié)構(gòu)，輸出的是差分型信號(hào)，而斬波運(yùn)放并不直接支持差分信號(hào)的放大，為此將傳感器激勵(lì)電壓相對(duì)測(cè)量電路部分浮置，將差分信號(hào)一端直接接測(cè)量地，這樣差分信號(hào)可以作為單端信號(hào)加以放大。理想的運(yùn)放輸入輸出之間滿足下面的線性關(guān)系：

實(shí)際的運(yùn)放存在失調(diào)電流、失調(diào)電壓和噪聲，要滿足：

OZE為運(yùn)放的零輸出誤差，Eno為輸出噪聲，在進(jìn)行微弱信號(hào)放大的情況下，OZE、Eno對(duì)放大性能產(chǎn)生不可忽略的影響，必須分析這兩項(xiàng)參數(shù)的大小，確保運(yùn)放達(dá)到要求的分辨力。

2.1.1 OZE的計(jì)算

考慮運(yùn)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(zhuǎn)換為圖3的模型。

圖3中，Rg為電橋輸出阻抗，In、Ip為運(yùn)放輸入失調(diào)電流，Vio為失調(diào)電壓。通過(guò)計(jì)算得到輸出電壓滿足下式：

2.1.2 Eno計(jì)算

噪聲是一種隨機(jī)過(guò)程，只能評(píng)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(yùn)放的電壓、電流噪聲，考慮了這幾種噪聲源的運(yùn)放模型如圖4所示。

圖4中，Es、E1、E2為電阻熱噪聲源，Eio為運(yùn)放電壓噪聲源，用相應(yīng)電壓譜密度表征；Inl、Ipl為運(yùn)放電流噪聲源，用相應(yīng)電流譜密度表征。計(jì)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(yùn)放的電壓噪聲譜和電流噪聲譜由數(shù)據(jù)手冊(cè)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(cè)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(jì)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(duì)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(duì)OZE的影響，式(4)中Vio的實(shí)際符號(hào)是未知的，最壞情況下是失調(diào)電壓和電流的貢獻(xiàn)相加：

將0ZE折算到運(yùn)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(guò)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(yùn)放失調(diào)電流。測(cè)重傳感器的輸出電阻Rs為300 Ω ICL7652在25℃時(shí)Vio為0．7μV，Ios為O．5 pA，代入式(9)有

IZE=0．7μV

IZE的主要來(lái)源是運(yùn)放失調(diào)電壓Vio。

當(dāng)計(jì)算運(yùn)放噪聲時(shí)，需考慮測(cè)量信號(hào)的頻率范圍。稱量系統(tǒng)主要會(huì)遇到低頻干擾，如風(fēng)力引起的系統(tǒng)小幅搖動(dòng)、稱量物落到系統(tǒng)上導(dǎo)致的沖擊震動(dòng)等，故稱量系統(tǒng)采用低通濾波器，同時(shí)為了測(cè)量值較快而穩(wěn)定，濾波頻率不能過(guò)低，最終選定截頻fH為10 Hz，噪聲電壓為：

以enP-p、In替代運(yùn)放相應(yīng)譜密度，將式(5)、式(6)代入式(10)計(jì)算得到；

計(jì)算中可以發(fā)現(xiàn)V2no的主要來(lái)源是運(yùn)放電壓噪聲項(xiàng)

一般為了避免放大器自激，放大倍數(shù)不可過(guò)大，因此設(shè)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(jì)算結(jié)果，25℃時(shí)的運(yùn)放放大關(guān)系應(yīng)近似滿足：

Vi的分辨力要求是1．2 μV，必須要求IZE、Vni對(duì)輸入電壓產(chǎn)生的影響小于分辨力的1／2，即0．6 μV。

實(shí)際上IZE的影響與隨機(jī)噪聲不同，在固定環(huán)境溫度時(shí)可通過(guò)軟件方法消除其影響，實(shí)際測(cè)量產(chǎn)生的影響是IZE隨時(shí)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(guò)考察Vos的漂移可評(píng)價(jià)IZE的穩(wěn)定性。ICL7652作為一款斬波運(yùn)放．其漂移特性穩(wěn)定正是其優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)手冊(cè)給出Vos在一20～+85℃內(nèi)隨溫度的漂移典型值為10 nV／℃，隨時(shí)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(shí)漂在nV級(jí)。噪聲計(jì)算涉到 項(xiàng)，溫度變化對(duì)R2／R1值影響很小，Vni溫漂可忽略不計(jì)。

考慮到IZE、Vni的漂移，它們對(duì)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(yùn)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(yùn)放輸出級(jí)

輸出級(jí)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行低通濾波，并提供緩沖輸出。采用圖5所示一階濾波結(jié)構(gòu)。

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(dá)到要求。

經(jīng)前置放大后，本級(jí)運(yùn)放對(duì)小信號(hào)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(yùn)放由OP07充當(dāng)，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(shí)漂移僅為1．0 μV，而噪聲也為μV級(jí)，它們對(duì)分辨力不會(huì)產(chǎn)生影響。

運(yùn)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(zhuǎn)換

MAXll56是Maxlnq公司制造的一種14位并行接口A／D轉(zhuǎn)換芯片，其單極性模擬電壓輸入范圍可達(dá)0～10 V。最大采樣率為L35 ksps，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為4．7 μs，是一款轉(zhuǎn)換速度較低的芯片，價(jià)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(yīng)用方便。

2.3電源設(shè)計(jì)

運(yùn)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(huì)反映在電路輸出端。測(cè)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(hào)中含較大的共模電壓，而差模成分較小，直接將輸出電壓進(jìn)行放大要求運(yùn)放提供高數(shù)值的共模抑制比(CMRR)。為降低對(duì)運(yùn)放CMRR的要求，電橋激勵(lì)電壓對(duì)信號(hào)處理電路浮置，輸出信號(hào)作為單端信號(hào)放大。這種方法完全消除了輸出信號(hào)的共模成分，但處理電路中無(wú)法對(duì)激勵(lì)信號(hào)采樣進(jìn)行比例測(cè)量，這對(duì)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(yīng)用如圖7所示的電流擴(kuò)展電路對(duì)電橋供電。

輸出電流主要由三極管擴(kuò)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(jì)算得

信號(hào)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要工作過(guò)程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)定時(shí)接收主控計(jì)算機(jī)的指令，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使被稱量物體與測(cè)重傳感器接觸，AD芯片產(chǎn)生14位數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)濾波，將處理結(jié)果通過(guò)RS485總線送主控計(jì)算機(jī)，并實(shí)時(shí)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(dá)到目的：

① 不測(cè)量時(shí)單片機(jī)休眠。

② 構(gòu)成測(cè)量通道的芯片非測(cè)量狀態(tài)時(shí)不工作。

③ 步進(jìn)電機(jī)非測(cè)量狀態(tài)時(shí)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(diǎn)取平均值的算法。I／()口寫初始化值及設(shè)置看門狗，可調(diào)用函數(shù)watchdog_init()實(shí)現(xiàn)設(shè)置看門狗。

打印機(jī)的枚舉初始化過(guò)程很重要，要實(shí)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(jī)。初始化USB打印機(jī)函數(shù)。init_pnnt()主要用

到以下幾個(gè)主要函數(shù)：

◇get_descr(1)，獲取設(shè)備描述符。

◇rd_usb_data(buffer)，從CH375中讀取數(shù)據(jù)到單片機(jī)中。

◇set_addr(3)，設(shè)置打印機(jī)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(zhǔn)采用文獻(xiàn)[3]所述方法，在每次測(cè)量之前預(yù)測(cè)一次，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)相減得到實(shí)際數(shù)據(jù)。

稱量系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。

結(jié)語(yǔ)

按此設(shè)計(jì)制成的高精度自動(dòng)稱量系統(tǒng)經(jīng)試驗(yàn)檢驗(yàn)，稱量精度達(dá)O．01 g，量程150 g，稱量結(jié)果穩(wěn)定，完全消除了環(huán)境溫度變化對(duì)稱量結(jié)果的影響。在無(wú)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(shí)。該系統(tǒng)成本低廉，電路板結(jié)構(gòu)緊湊，用戶可按實(shí)際需求設(shè)置系統(tǒng)為在主機(jī)控制下作為一個(gè)測(cè)量終端或自主工作，這極大減小了測(cè)量成本，適用于不方便獲取大量測(cè)量數(shù)據(jù)的領(lǐng)域，同時(shí)也有利于數(shù)據(jù)的智能處理。