數(shù)字天平的設(shè)計(jì)
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最常見的天平設(shè)計(jì)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(hào)電平很低，使得噪聲影響很大。本文將討論如何準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)，從而充分滿足天平的精密測(cè)量需求。本文還將探討稱重感應(yīng)器的不同參數(shù)及其對(duì)精度的影響。天平系統(tǒng)不僅僅是一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的模擬前端 (AFE)，同時(shí)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(duì)于某些天平而言，還需要通過某種通信協(xié)議與主機(jī)控制器進(jìn)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(jì)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(hào)進(jìn)行放大，然后利用濾波去除電源和機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。濾波后的輸出信號(hào)由高分辨率ADC進(jìn)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(fù)載情況提供比例電壓。最常用的稱重感應(yīng)器包括若干個(gè)應(yīng)變儀（strain gauges），并連接成一個(gè)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(duì)輸出變化起作用，其中兩個(gè)應(yīng)變儀發(fā)生張力正向變化，而另外兩個(gè)應(yīng)變儀則發(fā)生壓縮正向變化。這樣，當(dāng)向感應(yīng)器施加壓力時(shí)，兩個(gè)感應(yīng)器的電阻會(huì)增加，另外兩個(gè)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(duì)應(yīng)的差動(dòng)輸出。
根據(jù)結(jié)構(gòu)、材料和設(shè)計(jì)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(jì)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(fù)載輸出電壓與激勵(lì)電壓之比，通常單位是mV/V。這個(gè)值對(duì)應(yīng)于1V激勵(lì)電壓情況下稱重感應(yīng)器在全負(fù)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(lì)電壓為3.3V，那么全負(fù)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(jī)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(dāng)于1位（當(dāng)ADC進(jìn)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(cè)量系統(tǒng)和模擬前端也會(huì)對(duì)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(shí)現(xiàn)特定負(fù)載時(shí)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(shí)導(dǎo)致稱重感應(yīng)器發(fā)生變形，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)負(fù)載時(shí)，形變引起的偏差就會(huì)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(cè)得負(fù)載值的變化。
蠕變（Creep）和蠕變恢復(fù)（creep recovery）：蠕變是指測(cè)量重量隨時(shí)間的變化，例如將測(cè)量對(duì)象長(zhǎng)期放在天平上。舉例來說，對(duì)象剛放在天平上和放置30分鐘之后相比，輸出值會(huì)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(jià)材料的蠕變值很大，而且稱重感應(yīng)器需要很長(zhǎng)時(shí)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(jì)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(jì)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(shí)際分辨率。
我們假設(shè)天平的稱重感應(yīng)器激勵(lì)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(duì)于此天平而言，內(nèi)部分辨率應(yīng)為1：60000，相當(dāng)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(huì)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(bǔ)償誤差影響。
設(shè)計(jì)方案需利用16位分辨率來解析10mV輸入。要測(cè)量整個(gè)10mV的輸出，最常用的辦法是利用增益級(jí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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(shí)現(xiàn)10mV的測(cè)量范圍，用戶應(yīng)使用放大器增益級(jí)將信號(hào)放大將近100倍。
我們?cè)偌僭O(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(hào)輸入到ADC之前，需通過增益級(jí)將信號(hào)放大至0-10mV，此時(shí)最小解析電壓僅為10nV。這種分辨率會(huì)導(dǎo)致信號(hào)很容易受到噪聲影響。增益級(jí)在放大信號(hào)的同時(shí)也會(huì)放大噪聲。噪聲會(huì)使大量ADC位無法使用，從而減少有效位數(shù) (ENOB)。因此，設(shè)計(jì)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(cè)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(hào)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(jí)。大多數(shù)設(shè)計(jì)都采用外部低噪聲放大器。目前市場(chǎng)上有些產(chǎn)品可將增益級(jí)實(shí)現(xiàn)在ADC的輸入級(jí)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(gè)輸入緩沖器，實(shí)現(xiàn)高達(dá)8倍的增益效果。而且ADC本身的調(diào)制級(jí)也能實(shí)現(xiàn)高達(dá)16位的增益。由于不需要外部放大級(jí)，也就不存在放大器噪聲的影響，因此ADC可提供約18個(gè)有效位。不過對(duì)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(jì)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(shí)要能測(cè)量整個(gè)10mV的輸入范圍。主要問題在于對(duì)系統(tǒng)噪聲的處理，這會(huì)降低有效分辨率。
稱重感應(yīng)器接口的另一個(gè)主要問題是可能出現(xiàn)增益誤差，原因在于輸出信號(hào)范圍對(duì)激勵(lì)電壓的依賴性。激勵(lì)電壓的任何變化都會(huì)引起類似百分比的測(cè)量值增益誤差。如果根據(jù)激勵(lì)電壓的比例計(jì)算信號(hào)測(cè)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(cè)量信號(hào)和激勵(lì)電壓，計(jì)算出比例，從而去除增益誤差。不過，這種方法需要在兩個(gè)信號(hào)之間進(jìn)行ADC多路復(fù)用。該方法還有一個(gè)問題，即我們檢測(cè)的信號(hào)在10mV范圍內(nèi)，而激勵(lì)電壓則在幾V范圍內(nèi)。這就需要?jiǎng)討B(tài)改變?cè)鲆嬖O(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(dòng)態(tài)改變參數(shù)還會(huì)造成兩個(gè)獨(dú)立測(cè)量結(jié)果的不匹配。
評(píng)論