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电路设计；详细分析微弱信号放大主要限制因素，零输入误差和噪声影响，计算并给出前置级运放关键外接元件取值；介绍系统工作过程和相应软件设计方法。 字串8

关键词：微弱信号放大 零输入误差 噪声 ICL7652 MAXll56 字串6

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引 言 字串2

自动测重系统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时候才落到称量系统上．需要步进电机控制物体起降。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，负责重量数据采集和处理。本文介绍系统正是针对这样要求而开发出来。

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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。

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运放调理单元将测重传感器送出极微弱信号放大为O～4．096 V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通信及步进电机运动。

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2 硬件电路设计 字串8

硬件系统设计难点在于运放电路设计，微弱信号放大和滤波是其主要功能。稳定电源系统是整体电路工作正常基础，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要求。步进电机驱动、通信模块可采用常规模块实现。

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2.1 运放调理

运放调理模块负责将测重传感器输出微弱差分电压信号变送为0～4．096 V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 。要分辨出如此微小信号，这就对运放选择提出了严格要求，其失调电压、温漂和噪声性能必须不致影响到测量精度。系统选用Maxim公司高精度ICL7652斩波放大器，采用如图2所示放大电路，可以分析运放中小信号放大性能。

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为了最大限度减小测量电路对测重传感器影响，运放使用了具有高输入阻抗同相放大接法。传感器采用电桥结构，输出是差分型信号，而斩波运放并不直接支持差分信号放大，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。理想运放输入输出之间满足下面线性关系：

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实际运放存在失调电流、失调电压和噪声，要满足：

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OZE为运放零输出误差，Eno为输出噪声，在进行微弱信号放大情况下，OZE、Eno对放大性能产生不可忽略影响，必须分析这两项参数大小，确保运放达到要求分辨力。 字串7

2.1.1 OZE计算

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考虑运放输入失调电压、偏置电流影响，图2所示放大电路转换为图3模型。

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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：

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2.1.2 Eno计算

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噪声是一种随机过程，只能评估它最坏情形下影响，电路中主要噪声源是外接电阻热噪声和运放电压、电流噪声，考虑了这几种噪声源运放模型如图4所示。

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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： 字串2

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Ex为电压功率谱密度，Ix为电流功率谱密度。运放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电阻热噪声计算方法为：

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式中B为噪声带宽，R为电阻值。

2.1.3 外接电阻选择和性能分析

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外接反馈电阻作用在于提供一定放大倍数，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。

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

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： 字串9

IZE=Vin In(R1∥R2)一JpR。 (8) 字串1

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。 字串1

IZE=Vin (Rl∥R2)(In一Jp)=Vio RsIos(9) 字串6

Los为运放失调电流。测重传感器输出电阻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主要来源是运放失调电压Vio。 字串8

当计算运放噪声时，需考虑测量信号频率范围。称量系统主要会遇到低频干扰，如风力引起系统小幅摇动、称量物落到系统上导致冲击震动等，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： 字串1

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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；

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计算中可以发现V2no主要来源是运放电压噪声项 字串2

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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 字串9

Vni=Vno／21=O．3μV 字串1

综合以上计算结果，25℃时运放放大关系应近似满足：

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

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实际上IZE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，实际测量产生影响是IZE随时间和温度漂移特性。在本文所示电路中，IZE主要由Vos璐决定，通过考察Vos漂移可评价IZE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℃内随温度漂移典型值为10 nV／℃，随时间漂移为100nV／month，在称量系统士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漂移，它们对Vi产生不可更正误 字串4

差电压Verror为：

Verror=0．1 μV 0．3μV=0．4 μV

由于Verror≤O．6μV，可以确定运放电路外接电阻选择合适，工作环境下误差在可控范围内。 字串8

2.1.4运放输出级

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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。 字串6

为提供10 Hz低通带宽，Rf、Cf必须满足： 字串4

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选择Rf=1 kΩ、Cf=1．6μF可达到要求。 字串6

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：

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1．2 μV×Avl=1．2 μV×20=24 μV 字串1

运放由OP07充当，其Vos漂移为0．6μV／℃，在±lO℃工作范围内产生漂移为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。 字串2

运放采用±5 V双电压供电，最终输出O～4．096 V单极性电压。 字串2

2.2 A／D转换 字串7

MAXll56是Maxlnq公司制造一种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。

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2.3电源设计

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运放稳定放大要求供电电源高度稳定，否则电源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。 字串7

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传感器电桥输出信号中含较大共模电压，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共模抑制比(CMRR)。为降低对运放CMRR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，这对电源稳定度提出了很高要求。为此．采用高精度直流电压参考源REFl02，应用如图7所示电流扩展电路对电桥供电。 字串4

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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：

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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

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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。

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3 软件设计

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系统主要工作过程为：单片机定时接收主控计算机指令，控制步进电机运动，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。 字串3

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：

① 不测量时单片机休眠。 字串9

② 构成测量通道芯片非测量状态时不工作。 字串4

③ 步进电机非测量状态时用静力矩维持称量物。 字串7

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。 字串1

打印机枚举初始化过程很重要，要实现打印采集到并口数据，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

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到以下几个主要函数： 字串9

◇get_descr(1)，获取设备描述符。

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◇rd_usb_data(buffer)，从CH375中读取数据到单片机中。 字串5

◇set_addr(3)，设置打印机USB地址。 字串3

◇get_full_descr(buffer)，获取配置描述符。 字串9

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

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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。

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称量系统主程序流程图如图8所示。

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结语

按此设计制成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影响。在无人值守情况下，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领域，同时也有利于数据智能处理。 字串1