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微型稱重測力傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計

發(fā)布時間:2019-11-28 09:03:08 |來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

0 引言

經(jīng)過多年的發(fā)展,壓力傳感器已成為一種工業(yè)和醫(yī)療檢測的重要器件。壓力傳感器應(yīng)用廣泛:用在井下壓力信息采集、醫(yī)療檢測、直射武器立靶密集度測量、工業(yè)現(xiàn)場稱重和兩足外骨骼機(jī)器人足底壓力測量 [1~3] 等方面。壓力傳感器采用電橋式電路結(jié)構(gòu),具有優(yōu)良的線性度和靈敏度,及很好的溫度補(bǔ)償性能。但一個微應(yīng)變電橋輸出只有2mV左右,即使在滿載情況下,應(yīng)變片的最大輸出也只有數(shù)10mV [4] ,使信號的A/D轉(zhuǎn)換受限,不能良好的完成信號采集工作。因此,需要對壓力傳感器輸出的信號進(jìn)行有效放大和調(diào)理。

本文使用增益可編程,單電源供電,雙端輸入單端輸出及高共模抑制比的儀表放大器AD623,設(shè)計完成信號調(diào)理電路,把微弱直流電壓信號放大到數(shù)百毫伏甚至更高,以滿足A/D采集要求。

1 信號調(diào)理電路設(shè)計

實(shí)際應(yīng)用中,傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計必須考慮三項(xiàng)主要內(nèi)容:1)針對傳感器本身的特性設(shè)計恒流源或恒壓源, 即電流(或電壓)不受傳感器輸入負(fù)載變化的影響, 使傳感器輸出特性只與被測量有關(guān);2)根據(jù)傳感器的輸出特性, 設(shè)計信號放大與增益可控電路, 以滿足信號采集與處理的要求, 即信號便于與A/D轉(zhuǎn)換器接口;3)設(shè)計濾波電路 [5] 。

本文所設(shè)計的信號調(diào)理電路主要由壓力傳感器和信號調(diào)理模塊組成,其中信號調(diào)理模塊由+5V電源模塊、濾波電路及AD623等器件組成。

2 模塊設(shè)計

2.1 電源模塊

本研究中所采用的壓力傳感器是不銹鋼材質(zhì),外形尺寸結(jié)構(gòu)微小,適用于各種微小空間檢測。其直流供電電壓范圍是+5V~+10V。儀表放大器AD623單電源供電電壓范圍是+3V~+12V。本設(shè)計采用LM2931電壓校準(zhǔn)模塊為壓力傳感器和AD623提供+5V精準(zhǔn)供電電壓。LM2931有不同型號,分為固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出,有非常低的靜態(tài)電流,輸出電流超過100mA,有短路保護(hù)。本設(shè)計采用輸出固定電壓為+5V的LM2931AM-5設(shè)計完成+5V電源模塊。為了保持電壓穩(wěn)定性,針對電源模塊的輸入和輸出都加了去耦電容,其中電源輸出端電容值至少為100μF。

2.2 放大電路模塊

壓力傳感器有其特定的參數(shù)。若要壓力傳感器輸出信號與A/D轉(zhuǎn)換器接口相匹配,首先要根據(jù)壓力傳感器的分度值確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。壓力傳感器參數(shù)如表1所示。

注:s i 為壓力傳感器i的載荷靈敏度,f imax 為壓力傳感器i的額定量程,u s 為壓力傳感器i的電源電壓,m imin 為壓力傳感器i能夠分辨的最小載荷量,v ic 為壓力傳感器i的共模電壓, v id 為壓力傳感器i的差模電壓。

壓力傳感器額定量程為75Kg,最小稱量200g,那么其分度值A(chǔ)=75Kg/200g=375,因此A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少需要9位。本研究所用A/D轉(zhuǎn)換器是S12系列單片機(jī)型號MC9S12XDP512(以下簡稱XDP512)的ATD模塊,其轉(zhuǎn)換位數(shù)有8位和10位可選,這里選擇10位轉(zhuǎn)換。

確定轉(zhuǎn)換位數(shù)后,要根據(jù)壓力傳感器的參數(shù)和XDP512單片機(jī)ATD的輸入性能確定電路的增益值。這要求正確分析儀表放大器AD623的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。AD623是兩級放大結(jié)構(gòu),第一級為兩個輸入運(yùn)放U1和U2按同相輸入接法組成,第二級為一個輸出運(yùn)放U3組成差分放大電路。在第一級電路中,壓力傳感器輸出的正信號和負(fù)信號分別加在AD623的同相端和反相端。AD623與傳統(tǒng)三運(yùn)放結(jié)構(gòu)儀表放大器的不同之處是在兩個輸入運(yùn)放之前分別加兩個PNP晶體管作為電壓緩沖器,以便向兩個輸入運(yùn)放提供共模信號,并且符合電源限輸入運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)的要求。輸出運(yùn)放用來將差動電壓轉(zhuǎn)換成單端電壓,它還對前面兩個輸入運(yùn)放輸出的共模信號起到抑制作用,有益于改善整個電路的性能。兩級放大最終的增益值可由公式:G=1 +100 K ?/ RG  計算出。其中,G為增益值,RG為跨接在第1引腳和第8引腳之間的電阻。當(dāng)1腳和8腳之間不接電阻時,AD623實(shí)現(xiàn)單位增益。AD623可實(shí)現(xiàn)的增益范圍是[1,1000]。

定義U imin 為壓力傳感器在最小載荷量作用下的輸出,U imin 由式(1):

計算出,為26.67μV。XDP512的ATD模塊,采用10位轉(zhuǎn)換,其能夠分辨的最小電壓u inmin 由式(2):

計算出。式中V REF 為ATD的參考電壓,其范圍是0~+5V,這里選擇V REF 為+5V,則u inmin 為4.89mV。由以上分析可看出,如果信號不放大,A/D轉(zhuǎn)換器將不能識別U imin 。因此必須對壓力傳感器的輸出電壓放大。其最小放大倍數(shù)A umin 由式(3):

計算出,為183.40。當(dāng)壓力傳感器i承載滿負(fù)荷 時 ( 即M i = Fi max , 此 時 A T D 滿 幅 值 輸 出FFFFH),傳感器輸出電壓為U i max= Si U s,為10mV,由于ATD轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓可達(dá)5V,最大放大倍數(shù)由式(4):

計算出,為500。因此,壓力傳感器輸出信號增益范圍是[183.40,500]。綜合考慮AD623的性能及放大電路的穩(wěn)定性,設(shè)置放大電路增益值為238,則根據(jù)公式G=1 +  100  K ?/ R G,反求出電阻R G 的大小為421.9Ω,取標(biāo)稱阻值422Ω,這確定了放大電路模塊的增益電阻值參數(shù)。

2.3 濾波電路

為了抑制RF干擾信號,在壓力傳感器的信號輸出端,即儀表放大器AD623的信號輸入端設(shè)計了RC低通濾波器,如圖4所示。為了使AD623獲得穩(wěn)定電壓,在AD623的正電源端加了去耦電容,0.1μF的陶瓷電容和10μF的鉭電解電容并聯(lián)。

XDP512單片機(jī)ATD的采樣頻率可以在28KHz~500KHz范圍內(nèi)選擇,單片機(jī)總線時鐘頻率設(shè)置為8MHz,對其12分頻,得到ATD時鐘頻率667K,ATD采樣頻率設(shè)置為67K。為了在獲得良好濾波效果的同時能夠滿足采樣定理,設(shè)計低通濾波器的截止頻率為f c =9.7K。圖4中,R1與C3(同樣,R2與C4)組成低通濾波器。因?yàn)閒 c =1/2 πR1C3,選電阻R1為91K,則計算出C3容值為180pF。91K電阻足夠大,能夠有效隔離來自電容電路的輸入,同時帶來的電路噪聲影響也很微小。為了保持放大器的共模抑制能力,電容C3與C4的容許誤差需要達(dá)到5%或更好。R1/R2與C3/C4組成了橋式電路,它們的輸出穿過放大器的輸入,C3和C4有任何不匹配,都將使橋路不平衡,并降低共模抑制能力。所以R1與R2相等,C3與C4相等,使橋式電路對稱,獲得良好濾波效果的同時,又不降低電路的共模抑制能力。

電容C5用來保持低頻段共模抑制能力,保證所有的RF信號都是共模的,同時又不差分放大這些信號。R1+R2和C5組成了第二個低通濾波網(wǎng)絡(luò)。這個低通濾波電路的截止頻率約為10.66K。

3 仿真分析

Multisim是美國國家儀器公司(NI)推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具,適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。電路仿真軟件Multisim擁有龐大的元器件庫,具有強(qiáng)大的虛擬儀器功能。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式,具有豐富的仿真分析能力。本設(shè)計采用Multism13仿真軟件,對所設(shè)計的放大電路進(jìn)行仿真,仿真電路如圖5所示。V2和V3模擬壓力傳感器輸出的直流差分電壓信號,萬用表XMM1用來顯示放大電路的輸出電壓,所選電容容許誤差為5%,所選增益電阻為1%精度的金屬膜電阻。因?yàn)锳D623的第5引腳參考端接地,放大電路的輸出電壓就等于壓力傳感器輸出的差分信號實(shí)際被放大的電壓。手動更改V2和V3的差分電壓值,從1mV~10mV共10組值,觀察萬用表的數(shù)字值,并記錄,制成增益表。

由表2知,增益與所設(shè)計的增益238最大相差0.993%,最小相差0.042%。由AD623的特性可知,增益增大,其增益誤差也增大,G>1時,增益誤差推薦為0.35%??紤]到本設(shè)計增益為238,遠(yuǎn)大于1倍增益,增益誤差在0.042%~0.993%范圍內(nèi)是可接受的。

4 結(jié)束語

針對雙足步行機(jī)器人用某微型稱重測力傳感器設(shè)計了以AD623為核心的信號調(diào)理電路,單電源供電,一個增益電阻完成放大,減少了元器件的使用數(shù)量,減小了電路板的設(shè)計尺寸,便于足底安裝。對主要電路放大電路進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明,所設(shè)計電路增益誤差為0.042%~0.993%,能夠?qū)ξ⑷踔绷麟妷盒盘栠M(jìn)行有效放大,滿足微控制器XDP512單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器信號采集要求。

參考文獻(xiàn):

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