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    高精度自動測重系統的設計

    2007-02-02 單片機及嵌入式系統應用

    摘  要:設計并實現一種高精度自動測重系統。簡要介紹利用斬波運放lCL7652、高精度A/DMAXll56和8051單片機進行數據測量的電路設計;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上.需要步進電機控制物體的起降。系統要求在較大溫度范圍內長時間穩定工作,可作為智能數據采集終端置于野外,負責重量數據的采集和處理。本文介紹的系統正是針對這樣的要求而開發出來的。

     

    總體設計方案

        整個系統由中央處理單元、時鐘芯片、液晶模塊、步進電機模塊、串行通信芯片、運放調理單元、A/D轉換芯片、模擬電源模塊和數字電源模塊等幾部分組成,系統框圖如圖1所示。

        運放調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A/D轉換得到數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。穩定的電源系統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模塊實現。


    2.1 
    運放調理

    運放調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,其失調電壓、溫漂和噪聲性能必須不致影響到測量的精度。系統選用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電流、失調電壓和噪聲,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對放大性能產生不可忽略的影響,必須分析這兩項參數的大小,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為運放輸入失調電流,Vio為失調電壓。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據手冊給出。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,但它們也對零輸出誤差和輸出噪聲產生影響,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(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。稱量系統主要會遇到低頻干擾,如風力引起的系統小幅搖動、稱量物落到系統上導致的沖擊震動等,故稱量系統采用低通濾波器,同時為了測量值較快而穩定,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;


     

    計算中可以發現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,放大倍數不可過大,因此設定外接電阻產生21倍的放大,即R1/R2=20,以此倍數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,在固定環境溫度時可通過軟件方法消除其影響,實際測量產生的影響是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的穩定性。ICL7652作為一款斬波運放.其漂移特性穩定正是其優點。數據手冊給出Vos在一20~+85℃內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,工作環境下誤差在可控范圍內。


    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 μV×Avl=1.2 μV×20=24 μV

      
         運放由OP07充當,其Vos漂移為0.6μV/℃,在±lO℃工作范圍內產生的漂移為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

    運放的穩定放大要求供電電源的高度穩定,否則電源的起伏變化會反映在電路輸出端。測重系統由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,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芯片產生14位數字信號,單片機對信號進行校準和數據濾波,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。


        由于稱量系統采用蓄電池供電,必須考慮節能措施。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時不工作。

        ③ 步進電機非測量狀態時用靜力矩維持稱量物。


        數據濾波可以去除lO Hz以內低頻干擾,采用在1 s內采集若干數據點取平均值的算法。I/()口寫初始化值及設置看門狗,可調用函數watchdog_init()實現設置看門狗。

        
        打印機的枚舉初始化過程很重要,要實現打印采集到的并口數據,首先必須成功地枚舉初始化打印機。初始化USB打印機函數。init_pnnt()主要用

    到以下幾個主要函數:

    ◇get_descr(1),獲取設備描述符。

    ◇rd_usb_data(buffer),從CH375中讀取數據到單片機中。

    ◇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。

       
        數據校準采用文獻[3]所述方法,在每次測量之前預測一次,將實測數據與預測數據相減得到實際數據。


        稱量系統主程序流程圖如圖8所示。


    結語

        按此設計制成的高精度自動稱量系統經試驗檢驗,稱量精度達O.01 g,量程150 g,稱量結果穩定,完全消除了環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。該系統成本低廉,電路板結構緊湊,用戶可按實際需求設置系統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據的領域,同時也有利于數據的智能處理。




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