稱(chēng)重系統要求和分析
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摘要：稱(chēng)重是工業(yè)領(lǐng)域非常普遍的一個(gè)應用，尤其在中國市場(chǎng)存在很多稱(chēng)重設備的設計和制造商。來(lái)自終端用戶(hù)的產(chǎn)品千差萬(wàn)別，本文將著(zhù)重分析、討論這類(lèi)應用的系統要求，探討系統模擬輸入前端的設計，因為這部分電路的性能直接決定了整個(gè)產(chǎn)品的精度水平。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201603/287498.htm系統架構
圖1所示為典型的稱(chēng)重框圖。通過(guò)低噪聲LDO為整個(gè)系統供電。
稱(chēng)重系統一般采用5V供電，并直接采用供電電源作為ADC的參考電壓，這樣做的好處是可以抵消測量過(guò)程的共模干擾。壓阻傳感器是整個(gè)稱(chēng)重系統的關(guān)鍵部件，它的精度直接決定了系統的測量精度。1kΩ和350Ω是兩種常用的壓力傳感器類(lèi)型，典型靈敏度是2mV/V。目前，模擬前端基本在單一芯片整合了PGA和ADC，并可靈活配置。稱(chēng)重設備的數據輸出可采用傳統的RS-485接口，或4~20mA電流環(huán)輸出。當然，目前越來(lái)越多的設備也開(kāi)始采用無(wú)線(xiàn)通信接口，例如：通過(guò)WiFi輸出數據。
模擬前端設計考慮
為方便起見(jiàn)，我們在下面對模擬前端的性能分析中，假定系統供電由5V LDO提供，忽略電源噪聲的影響;傳感器為5V @ 2mV/V 靈敏度，稱(chēng)重范圍是20000g，準確度是0.1g。
一個(gè)好的稱(chēng)重產(chǎn)品，必須在測量過(guò)程中保持高精度和高準確度，測量值穩定，無(wú)跳變/閃爍。為此，與之對應的指標是無(wú)雜散峰-峰值分辨率，定義如下：
2n=200000
計算：n=17.6 bit(p-p),
進(jìn)而得出N=20.3 bit(RMS).
其中，n是無(wú)雜散分辨率，N是有效值分辨率。這個(gè)分辨率可以滿(mǎn)足絕大部分中高端產(chǎn)品要求。
根據輸入范圍要求，我們可以計算出噪聲水平：
Noise-pp=(5V*2mV/V)/2n=50nV
Noise-rms=7.6nV
目前市場(chǎng)上的個(gè)人/家用稱(chēng)重設備通常提供3000點(diǎn)測量值;工業(yè)產(chǎn)品提供7500點(diǎn)測量值;實(shí)驗研究設備可提供10000點(diǎn)以上測試，據此可以計算相應的分辨率和噪聲要求。通過(guò)上述分析和計算，我們基本可以決定ADC的要求和選型。
增益與采樣率
由于傳感器的輸出擺幅為10mV左右，信號相對比較小，如果直接輸入給ADC，將損失ADC的大部分動(dòng)態(tài)范圍。因此，需要有PGA進(jìn)行幅度調整，PGA最大增益可以設置為64、128或256，并且可以配置調整。具體選擇需要根據壓力傳感器和ADC范圍確定。ADC除了前面提到的分辨率和噪聲之外，還有一個(gè)重要指標需要考慮，即采樣率。不同的稱(chēng)重系統和不同的應用場(chǎng)合對采樣速度的要求很大不同，一般來(lái)說(shuō)，靜態(tài)稱(chēng)重采樣率在20Hz以?xún)?，?dòng)態(tài)測量則要求幾百Hz甚至幾百kHz。
濾波器
濾波器在整個(gè)設計中很重要，用于提高整個(gè)系統的信噪比。由于稱(chēng)重是精密測量系統，并用于相對嘈雜的環(huán)境，容易受到干擾，需要采取濾波措施。首先，在信號鏈路的最前端增加無(wú)源RC或LC低通濾波器，抑制高頻干擾。并配合后續的數字濾波器，通常是Sinc多階濾波器，用于濾除工頻干擾。一些專(zhuān)用ADC幾乎都內置這個(gè)數字濾波器。設計人員只需要配置相關(guān)寄存器的參數。
校準
為了在整個(gè)溫度范圍內保持高精度測量，需要消除溫度漂移和線(xiàn)性誤差。系統采用專(zhuān)門(mén)的溫度測試單元，以驗證溫度特性。具體做法是做一個(gè)溫度循環(huán)，測試的數據必須線(xiàn)性變化，并最終回到原點(diǎn)，如圖2所示。否則，就需要做額外的復雜的補償算法。此外，設計中還會(huì )經(jīng)常碰到其它挑戰，如：
● 機械振動(dòng)干擾;
● 電源和噪聲的平衡;
● 速度和噪聲的平衡;
● 輻射。
Maxim Integrated解決方案
MAX11270 是一款24位的Sigma-Delta 高精度ADC, SNR 達到130dB，功耗只有10mW，采用率可達64ksps，適用于直流和交流測量。并具有良好的線(xiàn)性指標，INL最大4ppm，噪聲6.5nV/√Hz，內部集成緩沖器、PGA、Sinc 濾波器等，理想用于稱(chēng)重設備，典型應用電路如圖3所示。如果傳感器距離測量單元較遠，比如高速公路上的汽車(chē)超載檢測設備，則要在傳感器和ADC之間加入一級低噪聲緩沖驅動(dòng)器，可以選擇MAX44250等。需要說(shuō)明的是，MAX11270還預留了幾個(gè)GPIO端口，方便用戶(hù)配置。MAX11270提供兩種校準模式，其中自校準模式可以在工作條件改變時(shí)(比如，電源電壓、環(huán)境溫度等)，非常方便地消除失調誤差和增益誤差。目前，MAX11270已經(jīng)成功設計在國內一些客戶(hù)的產(chǎn)品中。
參考文獻：
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[5]Logan S.Application Note 5384: Understanding Noise, ENOB, and Effective Resolution in Analog-to-Digital Converters, Maxim Integrated Products[R/OL].https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5384
本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第2期第43頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。
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