高精度自动测重系统的设计

摘  要：设计并实现一种高精度自动测重系统。简要介绍利用斩波运放lCL7652、高精度A／DMAXll56和8051单片机进行数据测量的电路设计；详细分析微弱信号放大的主要限制因素，零输入误差和噪声的影响，计算并给出前置级运放关键外接元件的取值；介绍系统工作过程和相应软件设计方法。

关键词：微弱信号放大  零输入误差  噪声  ICL7652  MAXll56

引  言

    自动测重系统的任务就是每隔一段时间或在主机控制下精确称量所加物体的重量，将其在液晶屏幕上显示并通过串行接口传送到主机。为了使所称量物体在需要的时候才落到称量系统上．需要步进电机控制物体的起降。系统要求在较大温度范围内长时间稳定工作，可作为智能数据采集终端置于野外，负责重量数据的采集和处理。本文介绍的系统正是针对这样的要求而开发出来的。

1  总体设计方案

    整个系统由中央处理单元、时钟芯片、液晶模块、步进电机模块、串行通信芯片、运放调理单元、A／D转换芯片、模拟电源模块和数字电源模块等几部分组成，系统框图如图1所示。

    运放调理单元将测重传感器送出的极微弱信号放大为O～4．096 V的模拟电压信号，并滤除低频干扰信号，经A／D转换得到数字量送给中央处理器进行信号处理，中央处理器同时控制和主机之间的通信及步进电机的运动。

2 硬件电路设计

    硬件系统设计的难点在于运放电路的设计，微弱信号的放大和滤波是其主要功能。稳定的电源系统是整体电路工作正常的基础，特别是模拟信号部分电源更是要求纹波频率低、幅度小，以保证传感器激励和运放工作的要求。步进电机驱动、通信模块可采用常规模块实现。

2.1  运放调理

运放调理模块负责将测重传感器输出的微弱差分电压信号变送为0～4．096 V的稳定信号，传感器精度达到O．Ol％F．S，灵敏度达到1．2 mV／V。在采用10V电源供电时，可知其满量程输出为12 mV，分辨力为1．2 μ 。要分辨出如此微小的信号，这就对运放的选择提出了严格的要求，其失调电压、温漂和噪声性能必须不致影响到测量的精度。系统选用Maxim公司高精度ICL7652斩波放大器，采用如图2所示的放大电路，可以分析运放中小信号的放大性能。

为了最大限度的减小测量电路对测重传感器的影响，运放使用了具有高输入阻抗的同相放大接法。传感器采用电桥结构，输出的是差分型信号，而斩波运放并不直接支持差分信号的放大，为此将传感器激励电压相对测量电路部分浮置，将差分信号一端直接接测量地，这样差分信号可以作为单端信号加以放大。理想的运放输入输出之间满足下面的线性关系：

    实际的运放存在失调电流、失调电压和噪声，要满足：

    OZE为运放的零输出误差，Eno为输出噪声，在进行微弱信号放大的情况下，OZE、Eno对放大性能产生不可忽略的影响，必须分析这两项参数的大小，确保运放达到要求的分辨力。

2.1.1 OZE的计算

  考虑运放输入失调电压、偏置电流的影响，图2所示的放大电路转换为图3的模型。

图3中，Rg为电桥输出阻抗，In、Ip为运放输入失调电流，Vio为失调电压。通过计算得到输出电压满足下式：

2.1.2  Eno计算

噪声是一种随机过程，只能评估它最坏情形下的影响，电路中主要的噪声源是外接电阻的热噪声和运放的电压、电流噪声，考虑了这几种噪声源的运放模型如图4所示。

图4中，Es、E1、E2为电阻热噪声源，Eio为运放电压噪声源，用相应电压谱密度表征；Inl、Ipl为运放电流噪声源，用相应电流谱密度表征。计算得到输出电压噪声谱密度为：

    Ex为电压功率谱密度，Ix为电流功率谱密度。运放的电压噪声谱和电流噪声谱由数据手册给出。由于其噪声主要在低频范围以1／f噪声形式存在，手册中给出的是0～10 Hz内电压噪声峰一峰值enp-p和电流噪声平均谱密度ino电阻的热噪声计算方法为：

    式中B为噪声带宽，R为电阻值。

2.1.3  外接电阻的选择和性能分析

    外接反馈电阻的作用在于提供一定的放大倍数，但它们也对零输出误差和输出噪声产生影响，必须精心选择阻信以控制误善和噪声。

    首先考虑电阻对OZE的影响，式(4)中Vio的实际符号是未知的，最坏情况下是失调电压和电流的贡献相加：

      将0ZE折算到运放输入端，即将OZE除以放大倍数(1+Rl／R2)，得等效输入零误差IZE：

    IZE=Vin+In(R1∥R2)一JpR。    (8)

     可以看出．若Rs与Rl／／R2失配过大，。IZE将增大，一般采用Rs和R1／／R2匹配。

    IZE=Vin+(Rl∥R2)(In一Jp)=Vio++RsIos(9)

   
    Los为运放失调电流。测重传感器的输出电阻Rs为300 Ω ICL7652在25℃时Vio为0．7μV，Ios为O．5 pA，代入式(9)有

IZE=0．7μV

IZE的主要来源是运放失调电压Vio。

    当计算运放噪声时，需考虑测量信号的频率范围。称量系统主要会遇到低频干扰，如风力引起的系统小幅摇动、称量物落到系统上导致的冲击震动等，故称量系统采用低通滤波器，同时为了测量值较快而稳定，滤波频率不能过低，最终选定截频fH为10 Hz，噪声电压为：

以enP-p、In替代运放相应谱密度，将式(5)、式(6)代入式(10)计算得到；

计算中可以发现V2no的主要来源是运放电压噪声项

    一般为了避免放大器自激，放大倍数不可过大，因此设定外接电阻产生21倍的放大，即R1／R2=20，以此倍数将噪声电压折算到输入端，可得输入等效噪声电压Vni

    Vni=Vno／21=O．3μV

    综合以上计算结果，25℃时的运放放大关系应近似满足：      

    Vi的分辨力要求是1．2 μV，必须要求IZE、Vni对输入电压产生的影响小于分辨力的1／2，即0．6 μV。

     实际上IZE的影响与随机噪声不同，在固定环境温度时可通过软件方法消除其影响，实际测量产生的影响是IZE随时间和温度的漂移特性。在本文所示电路中，IZE主要由Vos璐决定，通过考察Vos的漂移可评价IZE的稳定性。ICL7652作为一款斩波运放．其漂移特性稳定正是其优点。数据手册给出Vos在一20～+85℃内随温度的漂移典型值为10 nV／℃，随时间的漂移为100nV／month，在称量系统的士10℃工作温度范围，Vos温漂在土0．1μV范围，月均时漂在nV级。噪声计算涉到           项，温度变化对R2／R1值影响很小，Vni温漂可忽略不计。

   
    考虑到IZE、Vni的漂移，它们对Vi产生的不可更正误

差电压Verror为：

    Verror=0．1 μV+0．3μV=0．4 μV

   
     由于Verror≤O．6μV，可以确定运放电路的外接电阻选择合适，工作环境下误差在可控范围内。

2.1.4运放输出级

  输出级对测量信号进行低通滤波，并提供缓冲输出。采用图5所示一阶滤波结构。

  为提供10 Hz低通带宽，Rf、Cf必须满足：

    选择Rf=1 kΩ、Cf=1．6μF可达到要求。

   
    经前置放大后，本级运放对小信号放大性能要求大为降低。分辨力要求为：

    1．2 μV×Avl=1．2 μV×20=24 μV

  
     运放由OP07充当，其Vos漂移为0．6μV／℃，在±lO℃工作范围内产生的漂移为6 μV，最大时漂移仅为1．0 μV，而噪声也为μV级，它们对分辨力不会产生影响。

   
     运放采用±5 V双电压供电，最终输出O～4．096 V单极性电压。

2.2 A／D转换

    MAXll56是Maxlnq公司制造的一种14位并行接口A／D转换芯片，其单极性模拟电压输入范围可达0～10 V。最大采样率为L35 ksps，最大转换时间为4．7  μs，是一款转换速度较低的芯片，价格适中，满足系统精度要求。MAXll56采用+5 V单电源供电，以8位并口与主控制器输出总线直接连接，应用方便。

2.3电源设计

运放的稳定放大要求供电电源的高度稳定，否则电源的起伏变化会反映在电路输出端。测重系统由12 V蓄电池供电，电源分配如图6所示。

传感器电桥输出信号中含较大的共模电压，而差模成分较小，直接将输出电压进行放大要求运放提供高数值的共模抑制比(CMRR)。为降低对运放CMRR的要求，电桥激励电压对信号处理电路浮置，输出信号作为单端信号放大。这种方法完全消除了输出信号的共模成分，但处理电路中无法对激励信号采样进行比例测量，这对电源的稳定度提出了很高的要求。为此．采用高精度直流电压参考源REFl02，应用如图7所示的电流扩展电路对电桥供电。

输出电流主要由三极管扩展提供，R两端电压为l.3 V，电流满足：

Rin为电桥输入电阻，约为400Ω，β口为PNP管电流放大系数，计算得

    信号处理电路功耗很低，为减少高频纹波，采用LD0供电，在输出端并接20 μF电解电容滤波。

3  软件设计

    系统的主要工作过程为：单片机定时接收主控计算机的指令，控制步进电机的运动，使被称量物体与测重传感器接触，AD芯片产生14位数字信号，单片机对信号进行校准和数据滤波，将处理结果通过RS485总线送主控计算机，并实时在液晶屏显示。

    由于称量系统采用蓄电池供电，必须考虑节能措施。主要采用三种方法达到目的：

①     不测量时单片机休眠。

②     构成测量通道的芯片非测量状态时不工作。

    ③ 步进电机非测量状态时用静力矩维持称量物。

    数据滤波可以去除lO Hz以内低频干扰，采用在1 s内采集若干数据点取平均值的算法。I／()口写初始化值及设置看门狗，可调用函数watchdog_init()实现设置看门狗。

    
    打印机的枚举初始化过程很重要，要实现打印采集到的并口数据，首先必须成功地枚举初始化打印机。初始化USB打印机函数。init_pnnt()主要用

到以下几个主要函数：

◇get_descr(1)，获取设备描述符。

◇rd_usb_data(buffer)，从CH375中读取数据到单片机中。

◇set_addr(3)，设置打印机的USB地址。

◇get_full_descr(buffer)，获取配置描述符。

◇set_config(unsigned char cfg)，加载USB配置值。

   
    数据校准采用文献[3]所述方法，在每次测量之前预测一次，将实测数据与预测数据相减得到实际数据。

    称量系统主程序流程图如图8所示。

结语

    按此设计制成的高精度自动称量系统经试验检验，称量精度达O．01 g，量程150 g，称量结果稳定，完全消除了环境温度变化对称量结果的影响。在无人值守的情况下，采用12 V、7 AH蓄电池供电．可不间断工作200小时。该系统成本低廉，电路板结构紧凑，用户可按实际需求设置系统为在主机控制下作为一个测量终端或自主工作，这极大减小了测量成本，适用于不方便获取大量测量数据的领域，同时也有利于数据的智能处理。