數字天平的設計
加入技術(shù)交流群
最常見(jiàn)的天平設計方法是將電阻稱(chēng)重感應器配置為惠斯通電橋。然而，由于精確度要求較高，感應器的接口非常復雜。在稱(chēng)重感應器中，信號電平很低，使得噪聲影響很大。本文將討論如何準確測量信號，從而充分滿(mǎn)足天平的精密測量需求。本文還將探討稱(chēng)重感應器的不同參數及其對精度的影響。天平系統不僅僅是一個(gè)用于實(shí)現高精度測量的模擬前端 (AFE)，同時(shí)還要具備清晰的用戶(hù)界面以及用于解決電池電量不足問(wèn)題的升壓電路。此外，對于某些天平而言，還需要通過(guò)某種通信協(xié)議與主機控制器進(jìn)行通信。其它需要考慮的因素還包括成本管理問(wèn)題以及如何使天平設計能夠集成上述所有特性。
模擬前端
我們先來(lái)看看天平的模擬前端。圖1顯示了天平應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進(jìn)行放大，然后利用濾波去除電源和機械振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。濾波后的輸出信號由高分辨率ADC進(jìn)行采樣。稱(chēng)重感應器就是電阻感應器，用來(lái)根據施加的負載情況提供比例電壓。最常用的稱(chēng)重感應器包括若干個(gè)應變儀（strain gauges），并連接成一個(gè)惠斯通電橋。圖2顯示了構成稱(chēng)重感應器的應變儀在惠斯通電橋中的基本布局。
圖2：全橋稱(chēng)重感應器配置
這是稱(chēng)重感應器的全橋布局，也稱(chēng)全工作狀態(tài)，即所有臂都有應變儀并對輸出變化起作用，其中兩個(gè)應變儀發(fā)生張力正向變化，而另外兩個(gè)應變儀則發(fā)生壓縮正向變化。這樣，當向感應器施加壓力時(shí)，兩個(gè)感應器的電阻會(huì )增加，另外兩個(gè)的電阻減小。電阻的變化導致電橋不平衡，從而形成與加載重量相對應的差動(dòng)輸出。
根據結構、材料和設計的不同，稱(chēng)重感應器有一些與自身屬性有關(guān)的特定參數。我們必須首先理解這些參數，才能設計出稱(chēng)重感應器接口。
敏感度（額定輸出）：這是稱(chēng)重感應器最重要的參數之一。稱(chēng)重感應器的敏感度定義為全負載輸出電壓與激勵電壓之比，通常單位是mV/V。這個(gè)值對應于1V激勵電壓情況下稱(chēng)重感應器在全負載狀態(tài)下產(chǎn)生的電壓偏差。稱(chēng)重感應器的靈敏度非常低，通常只有2mV/V。如果系統的激勵電壓為3.3V，那么全負載情況下的輸出電壓為6.6mV。因此必須為稱(chēng)重感應器配備高精度的ADC。
非線(xiàn)性：作為機械器件，稱(chēng)重感應器由于自身構造的原因存在非線(xiàn)性特性。稱(chēng)重感應器的非線(xiàn)性一般是額定輸出的0.015%左右，相當于1位（當ADC進(jìn)行13位采樣的情況下）。不過(guò)，我們必須記住，稱(chēng)重感應器產(chǎn)生的非線(xiàn)性?xún)H僅是整體系統非線(xiàn)性的一部分，測量系統和模擬前端也會(huì )對系統的總體非線(xiàn)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)現特定負載時(shí)稱(chēng)重感應器輸出值的差異。這種情況是由稱(chēng)重感應器材料的形變屬性造成的。較高重量可能暫時(shí)導致稱(chēng)重感應器發(fā)生變形，當達到目標負載時(shí)，形變引起的偏差就會(huì )給稱(chēng)重感應器的輸出造成影響。
可重復性：指在同一稱(chēng)重感應器上多次放置相同重量，稱(chēng)重感應器測得負載值的變化。
蠕變（Creep）和蠕變恢復（creep recovery）：蠕變是指測量重量隨時(shí)間的變化，例如將測量對象長(cháng)期放在天平上。舉例來(lái)說(shuō)，對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。此現象是由稱(chēng)重感應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(chēng)重感應器需要很長(cháng)時(shí)間才能從變形中恢復。
系統精確性
大多數天平設計人員都采用兩種不同分辨率，即顯示分辨率和內部分辨率。顯示分辨率是指天平最終顯示的計量結果的分辨率，而內部分辨率則是內部模擬前端的實(shí)際分辨率。
我們假設天平的稱(chēng)重感應器激勵電壓為5V，敏感度為2mV/V，則輸出電壓應為0-10mV。要想將天平的分辨率設定為5克，稱(chēng)重范圍設定為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部分辨率不同，內部分辨率通常是顯示分辨率的20到30倍。因此，對于此天平而言，內部分辨率應為1：60000，相當于16位內部分辨率。
我們此前討論過(guò)，稱(chēng)重感應器接口可能會(huì )出現多種感應誤差，首先是感應器自身的誤差。因此，需要使內部分辨率高于顯示分辨率，這樣便可通過(guò)更高的分辨率來(lái)補償誤差影響。
設計方案需利用16位分辨率來(lái)解析10mV輸入。要測量整個(gè)10mV的輸出，最常用的辦法是利用增益級對輸入信號進(jìn)行放大，以滿(mǎn)足ADC的輸入范圍要求，如圖1所示，這樣就能在較小范圍內解析更多位。舉例來(lái)說(shuō)，要用1V范圍的ADC實(shí)現10mV的測量范圍，用戶(hù)應使用放大器增益級將信號放大將近100倍。
我們再假設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。在信號輸入到ADC之前，需通過(guò)增益級將信號放大至0-10mV，此時(shí)最小解析電壓僅為10nV。這種分辨率會(huì )導致信號很容易受到噪聲影響。增益級在放大信號的同時(shí)也會(huì )放大噪聲。噪聲會(huì )使大量ADC位無(wú)法使用，從而減少有效位數 (ENOB)。因此，設計人員必須根據要求的增益設置選擇具有最佳ENOB的ADC。
測量稱(chēng)重感應器輸出最常用的ADC是DeltaSigma (DelSig) ADC。這種ADC采用信號過(guò)采樣技術(shù)，然后再取十分之一，以獲得較高分辨率。該架構使得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(wèn)題。問(wèn)題的另一半在于增益級。大多數設計都采用外部低噪聲放大器。目前市場(chǎng)上有些產(chǎn)品可將增益級實(shí)現在A(yíng)DC的輸入級內，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)現高達8倍的增益效果。而且ADC本身的調制級也能實(shí)現高達16位的增益。由于不需要外部放大級，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(guò)對于天平應用而言，分辨率通常指峰峰值分辨率，也就是系統去除噪聲影響后計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)要能測量整個(gè)10mV的輸入范圍。主要問(wèn)題在于對系統噪聲的處理，這會(huì )降低有效分辨率。
稱(chēng)重感應器接口的另一個(gè)主要問(wèn)題是可能出現增益誤差，原因在于輸出信號范圍對激勵電壓的依賴(lài)性。激勵電壓的任何變化都會(huì )引起類(lèi)似百分比的測量值增益誤差。如果根據激勵電壓的比例計算信號測量值，就可以避免這一問(wèn)題。具體有兩種辦法：
1) 我們可分別測量信號和激勵電壓，計算出比例，從而去除增益誤差。不過(guò)，這種方法需要在兩個(gè)信號之間進(jìn)行ADC多路復用。該方法還有一個(gè)問(wèn)題，即我們檢測的信號在10mV范圍內，而激勵電壓則在幾V范圍內。這就需要動(dòng)態(tài)改變增益設置和ADC范圍參數，而這種做法在大多數模擬系統中并不可取。此外，動(dòng)態(tài)改變參數還會(huì )造成兩個(gè)獨立測量結果的不匹配。
評論