數(shù)字天平的設(shè)計
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最常見的天平設(shè)計方法是將電阻稱重感應(yīng)器配置為惠斯通電橋。然而，由于精確度要求較高，感應(yīng)器的接口非常復(fù)雜。在稱重感應(yīng)器中，信號電平很低，使得噪聲影響很大。本文將討論如何準確測量信號，從而充分滿足天平的精密測量需求。本文還將探討稱重感應(yīng)器的不同參數(shù)及其對精度的影響。天平系統(tǒng)不僅僅是一個用于實現(xiàn)高精度測量的模擬前端 (AFE)，同時還要具備清晰的用戶界面以及用于解決電池電量不足問題的升壓電路。此外，對于某些天平而言，還需要通過某種通信協(xié)議與主機控制器進行通信。其它需要考慮的因素還包括成本管理問題以及如何使天平設(shè)計能夠集成上述所有特性。
模擬前端
我們先來看看天平的模擬前端。圖1顯示了天平應(yīng)用的模擬前端基本布局。
圖1：天平的模擬前端
在此布局中，首先將傳感器的輸出信號進行放大，然后利用濾波去除電源和機械振動產(chǎn)生的噪聲。濾波后的輸出信號由高分辨率ADC進行采樣。稱重感應(yīng)器就是電阻感應(yīng)器，用來根據(jù)施加的負載情況提供比例電壓。最常用的稱重感應(yīng)器包括若干個應(yīng)變儀（strain gauges），并連接成一個惠斯通電橋。圖2顯示了構(gòu)成稱重感應(yīng)器的應(yīng)變儀在惠斯通電橋中的基本布局。
圖2：全橋稱重感應(yīng)器配置
這是稱重感應(yīng)器的全橋布局，也稱全工作狀態(tài)，即所有臂都有應(yīng)變儀并對輸出變化起作用，其中兩個應(yīng)變儀發(fā)生張力正向變化，而另外兩個應(yīng)變儀則發(fā)生壓縮正向變化。這樣，當向感應(yīng)器施加壓力時，兩個感應(yīng)器的電阻會增加，另外兩個的電阻減小。電阻的變化導(dǎo)致電橋不平衡，從而形成與加載重量相對應(yīng)的差動輸出。
根據(jù)結(jié)構(gòu)、材料和設(shè)計的不同，稱重感應(yīng)器有一些與自身屬性有關(guān)的特定參數(shù)。我們必須首先理解這些參數(shù)，才能設(shè)計出稱重感應(yīng)器接口。
敏感度（額定輸出）：這是稱重感應(yīng)器最重要的參數(shù)之一。稱重感應(yīng)器的敏感度定義為全負載輸出電壓與激勵電壓之比，通常單位是mV/V。這個值對應(yīng)于1V激勵電壓情況下稱重感應(yīng)器在全負載狀態(tài)下產(chǎn)生的電壓偏差。稱重感應(yīng)器的靈敏度非常低，通常只有2mV/V。如果系統(tǒng)的激勵電壓為3.3V，那么全負載情況下的輸出電壓為6.6mV。因此必須為稱重感應(yīng)器配備高精度的ADC。
非線性：作為機械器件，稱重感應(yīng)器由于自身構(gòu)造的原因存在非線性特性。稱重感應(yīng)器的非線性一般是額定輸出的0.015%左右，相當于1位（當ADC進行13位采樣的情況下）。不過，我們必須記住，稱重感應(yīng)器產(chǎn)生的非線性僅僅是整體系統(tǒng)非線性的一部分，測量系統(tǒng)和模擬前端也會對系統(tǒng)的總體非線性產(chǎn)生影響。
滯后：滯后誤差是指較輕重量和較高重量實現(xiàn)特定負載時稱重感應(yīng)器輸出值的差異。這種情況是由稱重感應(yīng)器材料的形變屬性造成的。較高重量可能暫時導(dǎo)致稱重感應(yīng)器發(fā)生變形，當達到目標負載時，形變引起的偏差就會給稱重感應(yīng)器的輸出造成影響。
可重復(fù)性：指在同一稱重感應(yīng)器上多次放置相同重量，稱重感應(yīng)器測得負載值的變化。
蠕變（Creep）和蠕變恢復(fù)（creep recovery）：蠕變是指測量重量隨時間的變化，例如將測量對象長期放在天平上。舉例來說，對象剛放在天平上和放置30分鐘之后相比，輸出值會發(fā)生變化。此現(xiàn)象是由稱重感應(yīng)器所用材料的彈性屬性引起的。廉價材料的蠕變值很大，而且稱重感應(yīng)器需要很長時間才能從變形中恢復(fù)。
系統(tǒng)精確性
大多數(shù)天平設(shè)計人員都采用兩種不同分辨率，即顯示分辨率和內(nèi)部分辨率。顯示分辨率是指天平最終顯示的計量結(jié)果的分辨率，而內(nèi)部分辨率則是內(nèi)部模擬前端的實際分辨率。
我們假設(shè)天平的稱重感應(yīng)器激勵電壓為5V，敏感度為2mV/V，則輸出電壓應(yīng)為0-10mV。要想將天平的分辨率設(shè)定為5克，稱重范圍設(shè)定為10千克，那么天平的顯示分辨率就是1:2000。如前所述，天平顯示分辨率與內(nèi)部分辨率不同，內(nèi)部分辨率通常是顯示分辨率的20到30倍。因此，對于此天平而言，內(nèi)部分辨率應(yīng)為1：60000，相當于16位內(nèi)部分辨率。
我們此前討論過，稱重感應(yīng)器接口可能會出現(xiàn)多種感應(yīng)誤差，首先是感應(yīng)器自身的誤差。因此，需要使內(nèi)部分辨率高于顯示分辨率，這樣便可通過更高的分辨率來補償誤差影響。
設(shè)計方案需利用16位分辨率來解析10mV輸入。要測量整個10mV的輸出，最常用的辦法是利用增益級對輸入信號進行放大，以滿足ADC的輸入范圍要求，如圖1所示，這樣就能在較小范圍內(nèi)解析更多位。舉例來說，要用1V范圍的ADC實現(xiàn)10mV的測量范圍，用戶應(yīng)使用放大器增益級將信號放大將近100倍。
我們再假設(shè)ADC的分辨率是20位，輸入范圍是1V。該ADC能解析的最小輸入變化為1uV。在信號輸入到ADC之前，需通過增益級將信號放大至0-10mV，此時最小解析電壓僅為10nV。這種分辨率會導(dǎo)致信號很容易受到噪聲影響。增益級在放大信號的同時也會放大噪聲。噪聲會使大量ADC位無法使用，從而減少有效位數(shù) (ENOB)。因此，設(shè)計人員必須根據(jù)要求的增益設(shè)置選擇具有最佳ENOB的ADC。
測量稱重感應(yīng)器輸出最常用的ADC是DeltaSigma (DelSig) ADC。這種ADC采用信號過采樣技術(shù)，然后再取十分之一，以獲得較高分辨率。該架構(gòu)使得ADC本身具有低通特性，有助于減少噪聲的影響。
使用出色的ADC只能解決一半問題。問題的另一半在于增益級。大多數(shù)設(shè)計都采用外部低噪聲放大器。目前市場上有些產(chǎn)品可將增益級實現(xiàn)在ADC的輸入級內(nèi)，例如賽普拉斯的PSoC3和PSoC5就是如此。方法是在PSoC的ADC輸入端集成一個輸入緩沖器，實現(xiàn)高達8倍的增益效果。而且ADC本身的調(diào)制級也能實現(xiàn)高達16位的增益。由于不需要外部放大級，也就不存在放大器噪聲的影響，因此ADC可提供約18個有效位。不過對于天平應(yīng)用而言，分辨率通常指峰峰值分辨率，也就是系統(tǒng)去除噪聲影響后計算得出的有效峰峰值分辨率。
商用領(lǐng)域通常要求16位的峰峰值分辨率，同時要能測量整個10mV的輸入范圍。主要問題在于對系統(tǒng)噪聲的處理，這會降低有效分辨率。
稱重感應(yīng)器接口的另一個主要問題是可能出現(xiàn)增益誤差，原因在于輸出信號范圍對激勵電壓的依賴性。激勵電壓的任何變化都會引起類似百分比的測量值增益誤差。如果根據(jù)激勵電壓的比例計算信號測量值，就可以避免這一問題。具體有兩種辦法：
1) 我們可分別測量信號和激勵電壓，計算出比例，從而去除增益誤差。不過，這種方法需要在兩個信號之間進行ADC多路復(fù)用。該方法還有一個問題，即我們檢測的信號在10mV范圍內(nèi)，而激勵電壓則在幾V范圍內(nèi)。這就需要動態(tài)改變增益設(shè)置和ADC范圍參數(shù)，而這種做法在大多數(shù)模擬系統(tǒng)中并不可取。此外，動態(tài)改變參數(shù)還會造成兩個獨立測量結(jié)果的不匹配。
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