高精度自動測重系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：設(shè)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(shè)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(guān)鍵外接元件的取值；介紹系統(tǒng)工作過程和相應(yīng)軟件設(shè)計方法。

關(guān)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(wù)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(shè)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(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(zhuǎn)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(shè)計

硬件系統(tǒng)設(shè)計的難點在于運放電路的設(shè)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(chǔ)，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(qū)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(jié)構(gòu)，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(guān)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(zhuǎn)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(yīng)電壓譜密度表征；Inl、Ipl為運放電流噪聲源，用相應(yīng)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(fēng)力引起的系統(tǒng)小幅搖動、稱量物落到系統(tǒng)上導(dǎo)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(yīng)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(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

綜合以上計算結(jié)果，25℃時的運放放大關(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(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(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0～10 V。最大采樣率為L35 ksps，最大轉(zhuǎn)換時間為4．7 μs，是一款轉(zhuǎn)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(yīng)用方便。

2.3電源設(shè)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(yīng)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(shè)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(jié)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(gòu)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(shè)置看門狗，可調(diào)用函數(shù)watchdog_init()實現(xiàn)設(shè)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(shè)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(shè)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(yù)測一次，將實測數(shù)據(jù)與預(yù)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(jié)語

按此設(shè)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(jié)果穩(wěn)定，完全消除了環(huán)境溫度變化對稱量結(jié)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(jié)構(gòu)緊湊，用戶可按實際需求設(shè)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(lǐng)域，同時也有利于數(shù)據(jù)的智能處理。