稱重系統(tǒng)要求和分析

摘要：稱重是工業(yè)領(lǐng)域非常普遍的一個(gè)應(yīng)用，尤其在中國市場(chǎng)存在很多稱重設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造商。來自終端用戶的產(chǎn)品千差萬別，本文將著重分析、討論這類應(yīng)用的系統(tǒng)要求，探討系統(tǒng)模擬輸入前端的設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@部分電路的性能直接決定了整個(gè)產(chǎn)品的精度水平。

系統(tǒng)架構(gòu)

　　圖1所示為典型的稱重框圖。通過低噪聲LDO為整個(gè)系統(tǒng)供電。

　　稱重系統(tǒng)一般采用5V供電，并直接采用供電電源作為ADC的參考電壓，這樣做的好處是可以抵消測(cè)量過程的共模干擾。壓阻傳感器是整個(gè)稱重系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的精度直接決定了系統(tǒng)的測(cè)量精度。1kΩ和350Ω是兩種常用的壓力傳感器類型，典型靈敏度是2mV/V。目前，模擬前端基本在單一芯片整合了PGA和ADC，并可靈活配置。稱重設(shè)備的數(shù)據(jù)輸出可采用傳統(tǒng)的RS-485接口，或4~20mA電流環(huán)輸出。當(dāng)然，目前越來越多的設(shè)備也開始采用無線通信接口，例如：通過WiFi輸出數(shù)據(jù)。

模擬前端設(shè)計(jì)考慮

　　為方便起見，我們?cè)谙旅鎸?duì)模擬前端的性能分析中，假定系統(tǒng)供電由5V LDO提供，忽略電源噪聲的影響;傳感器為5V @ 2mV/V 靈敏度，稱重范圍是20000g，準(zhǔn)確度是0.1g。

分辨率和噪音

　　一個(gè)好的稱重產(chǎn)品，必須在測(cè)量過程中保持高精度和高準(zhǔn)確度，測(cè)量值穩(wěn)定，無跳變/閃爍。為此，與之對(duì)應(yīng)的指標(biāo)是無雜散峰-峰值分辨率，定義如下：

　　2ⁿ=200000

　　計(jì)算：n=17.6 bit(p-p),

　　進(jìn)而得出N=20.3 bit(RMS).

　　其中，n是無雜散分辨率，N是有效值分辨率。這個(gè)分辨率可以滿足絕大部分中高端產(chǎn)品要求。

　　根據(jù)輸入范圍要求，我們可以計(jì)算出噪聲水平：

　　Noise-pp=(5V*2mV/V)/2n=50nV

　　Noise-rms=7.6nV

　　目前市場(chǎng)上的個(gè)人/家用稱重設(shè)備通常提供3000點(diǎn)測(cè)量值;工業(yè)產(chǎn)品提供7500點(diǎn)測(cè)量值;實(shí)驗(yàn)研究設(shè)備可提供10000點(diǎn)以上測(cè)試，據(jù)此可以計(jì)算相應(yīng)的分辨率和噪聲要求。通過上述分析和計(jì)算，我們基本可以決定ADC的要求和選型。

增益與采樣率

　　由于傳感器的輸出擺幅為10mV左右，信號(hào)相對(duì)比較小，如果直接輸入給ADC，將損失ADC的大部分動(dòng)態(tài)范圍。因此，需要有PGA進(jìn)行幅度調(diào)整，PGA最大增益可以設(shè)置為64、128或256，并且可以配置調(diào)整。具體選擇需要根據(jù)壓力傳感器和ADC范圍確定。ADC除了前面提到的分辨率和噪聲之外，還有一個(gè)重要指標(biāo)需要考慮，即采樣率。不同的稱重系統(tǒng)和不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)采樣速度的要求很大不同，一般來說，靜態(tài)稱重采樣率在20Hz以內(nèi)，動(dòng)態(tài)測(cè)量則要求幾百Hz甚至幾百kHz。

濾波器

　　濾波器在整個(gè)設(shè)計(jì)中很重要，用于提高整個(gè)系統(tǒng)的信噪比。由于稱重是精密測(cè)量系統(tǒng)，并用于相對(duì)嘈雜的環(huán)境，容易受到干擾，需要采取濾波措施。首先，在信號(hào)鏈路的最前端增加無源RC或LC低通濾波器，抑制高頻干擾。并配合后續(xù)的數(shù)字濾波器，通常是Sinc多階濾波器，用于濾除工頻干擾。一些專用ADC幾乎都內(nèi)置這個(gè)數(shù)字濾波器。設(shè)計(jì)人員只需要配置相關(guān)寄存器的參數(shù)。

校準(zhǔn)

　　為了在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持高精度測(cè)量，需要消除溫度漂移和線性誤差。系統(tǒng)采用專門的溫度測(cè)試單元，以驗(yàn)證溫度特性。具體做法是做一個(gè)溫度循環(huán)，測(cè)試的數(shù)據(jù)必須線性變化，并最終回到原點(diǎn)，如圖2所示。否則，就需要做額外的復(fù)雜的補(bǔ)償算法。此外，設(shè)計(jì)中還會(huì)經(jīng)常碰到其它挑戰(zhàn)，如：

　　● 機(jī)械振動(dòng)干擾;

　　● 電源和噪聲的平衡;

　　● 速度和噪聲的平衡;

　　● 輻射。

Maxim Integrated解決方案

　　MAX11270 是一款24位的Sigma-Delta 高精度ADC, SNR 達(dá)到130dB，功耗只有10mW，采用率可達(dá)64ksps，適用于直流和交流測(cè)量。并具有良好的線性指標(biāo)，INL最大4ppm，噪聲6.5nV/√Hz，內(nèi)部集成緩沖器、PGA、Sinc 濾波器等，理想用于稱重設(shè)備，典型應(yīng)用電路如圖3所示。如果傳感器距離測(cè)量單元較遠(yuǎn)，比如高速公路上的汽車超載檢測(cè)設(shè)備，則要在傳感器和ADC之間加入一級(jí)低噪聲緩沖驅(qū)動(dòng)器，可以選擇MAX44250等。需要說明的是，MAX11270還預(yù)留了幾個(gè)GPIO端口，方便用戶配置。MAX11270提供兩種校準(zhǔn)模式，其中自校準(zhǔn)模式可以在工作條件改變時(shí)(比如，電源電壓、環(huán)境溫度等)，非常方便地消除失調(diào)誤差和增益誤差。目前，MAX11270已經(jīng)成功設(shè)計(jì)在國內(nèi)一些客戶的產(chǎn)品中。

參考文獻(xiàn)：

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第2期第43頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。