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>
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),即使有真正的滿擺幅輸出,也不能達(dá)到地電壓。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/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。在鋁盤上測(cè)重大約為150g的物體,即大約5盎司。由于鋁盤自重,即使沒有任何物體稱重,儀表放大器的輸出信號(hào)也不能低到0V?,F(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,鋁盤上沒有稱重物體,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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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),即使有真正的滿擺幅輸出,也不能達(dá)到地電壓。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/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。在鋁盤上測(cè)重大約為150g的物體,即大約5盎司。由于鋁盤自重,即使沒有任何物體稱重,儀表放大器的輸出信號(hào)也不能低到0V?,F(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,鋁盤上沒有稱重物體,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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