對基于力敏元件的天平系統偏移進(jìn)行補償的電路

設計電阻橋式傳感器與5V單電源供電的ADC之間的接口是一個(gè)新的挑戰。有些應用需要輸出電壓在0V到滿(mǎn)量程電壓（如4.096V）之間以高精度波動(dòng)。對大多數單電源儀表放大器，當輸出信號接近0V、接近單電源低輸出擺幅限制時(shí)，會(huì )出現問(wèn)題。一個(gè)好的單電源儀表放大器可在接近于單電源地電壓的范圍內擺動(dòng),即使有真正的滿(mǎn)擺幅輸出，也不能達到地電壓。

　　在本應用中，傳感器是一個(gè)精密的力敏元件，其額定負載為5kg，即約11磅。在鋁盤(pán)上測重大約為150g的物體，即大約5盎司。由于鋁盤(pán)自重，即使沒(méi)有任何物體稱(chēng)重，儀表放大器的輸出信號也不能低到0V?，F在，問(wèn)題是如何補償儀表放大器的輸出偏移電壓和鋁盤(pán)本身產(chǎn)生的電壓。

　　軟件彌補系統偏移是最簡(jiǎn)單的方法。在加電期間，鋁盤(pán)上沒(méi)有稱(chēng)重物體，系統可以獲取偏移電壓，并將數據記錄在微控制器內存中。隨后，當有物體稱(chēng)重時(shí)，從獲得的數據中減去它即可。但是，這種做法不能達到天平的5kg滿(mǎn)量程，僅能達到4.85kg。

　　本設計實(shí)例說(shuō)明如何利用微控制器實(shí)現硬件補償。當加電后，運行軟件程序復位系統偏移。解決方案如圖1所示，基于四個(gè)來(lái)自L(fǎng)inear Technology公司IC的簡(jiǎn) 單電路。精密電壓基準IC1，有高達50mA的最小輸出電流。它提供4.096V輸出電壓驅動(dòng)力敏元件，并設置12位ADC（IC3）的滿(mǎn)量程范圍。高精度儀表放大器LT1789-1（IC2）的特點(diǎn)是在0℃~70℃溫度范圍內，最大輸入失調電壓為150mV，滿(mǎn)擺幅輸出電壓相對地電壓110mV范圍內擺動(dòng)時(shí)，最大輸入失調偏移電壓是0.5mV/℃。通過(guò)精密電阻R2 （阻值為500Ω）設定增益，當稱(chēng)重是5kg時(shí)，輸出范圍為4.096V，其最大輸入信號是VCC×S=4.096V×2mV/V=8.192mV，這里 S是該傳感器的靈敏度。

　　雙通道DAC（IC4）的DAC_A輸出在儀表放大器參考引腳處提供200mV的參考電壓，以避免放大器本身地飽和，但傳輸特性不是線(xiàn)性關(guān)系。放大器最壞情況下輸出偏移是：VREF+VPAN±VOFFSET=200mV+125mV±500×150mV= 325mV±75mV=250mV/400mV，這里VPAN=125mV，是鋁盤(pán)自重產(chǎn)生的電壓值。

　　因此系統輸出偏移是250mV 到400mV。加電后，微控制器運行一個(gè)程序設置DAC_A輸出為200mV，同時(shí)，增加雙通道DAC（IC4）的DAC_B輸出直到等于A(yíng)DC （IC3）管腳2上的系統偏移，轉換結果就是000h。這一結果是可能的，因為IC4包含兩個(gè)12位2.5V滿(mǎn)量程電壓的DAC，最低有效位（LSB）等于0.61mV，小于分辨率為1mV的IC3。這個(gè)數字相當于該天平的分辨率：5000g/4096=1.22g。當最大負載5kg時(shí)，儀表放大器的最大輸出電壓是4.096V + VOUT_TOTAL_OFFSET_INA = 4.346V/4.496V，低于4.62V高飽和狀態(tài)下溫度的最壞情況。

　　IC3有一個(gè)單極差分輸入，所以可以從+IN輸入電壓中減去一個(gè)恒定電壓值等于IC4的DAC_B提供的系統偏移。在第一個(gè)半時(shí)鐘周期內，ADC采樣和保持正向輸入電壓。這階段結束，或在采集時(shí)間內，輸入電容切換到負輸入并開(kāi)始轉換。在IC3輸入端的RC輸入濾波器的時(shí)間常數為0.5ms，允許正負輸入電壓采用最高為200kHz時(shí)鐘頻率在轉換時(shí)間的第一時(shí)鐘周期內達到12位精度。如果想增加時(shí)間常數，必須采用較低時(shí)鐘頻率。

　　此外，DAC和ADC有一個(gè)三線(xiàn)串行接口，可方便地將數據傳輸到最高采樣率為12.5kS/s的寬范圍微控制器。當ADC處于沒(méi)有轉換的時(shí)候，它會(huì )自動(dòng)把功率降至1nA的電源電流，而且如果微控制器通過(guò)其引腳3來(lái)關(guān)閉 IC1，電路限制電源電流在最壞情況下僅為1mA，因為所有的IC集成電路都是微功耗的。