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1　皮帶秤稱重儀的整體設(shè)計

1. 1　稱重原理

一段時間 t 內(nèi)的總輸送量 W( t ) 是對瞬時流量q ( t ) 與帶速 v ( t ) 乘積的積分。其相互關(guān)系可用以下式子表示:

W( t )= 0t∫q ( t ) · v (t ) · d t

q ( t )= ( A D-A D 0 ) · C 0 · C 1

A D 為每次得到的 A D C 輸出數(shù)字量 , A D 0 為空載時的 A D C 輸出量, 即皮重 ; C 0 為量程系數(shù) , C 1 為用戶系數(shù)。

C 0 =G /( L · A D ′ )

C 0 是為不同的傳感器和秤架特定的系數(shù), G 表示傳感器滿程重量 ( k g ) , L 為重量感受長度 ( m ) , A D ′ 這里取值 224 ( A D C 滿程輸出 ,其實這里應(yīng)該對應(yīng)傳感器滿程輸出的 A D 代碼 , 出于簡化可將 224 代替 , 由此帶來的誤差可由 C 1 調(diào)整 ) , C 1 的作用是在調(diào)試階段對總輸出的微調(diào) ,以滿足稱重的精確 。

1. 2　稱重模塊

稱重模塊包括激勵電源、傳感器 、儀表放大器、ADC、脈沖編碼器,連接關(guān)系如圖 1。

為了提高試驗精確度 ,長線測量時 , 采用六線制。即在原有四線制的基礎(chǔ)上增加兩根電纜作為供橋電壓的反饋 , 并接到 A D C 的基準(zhǔn)電壓端, 見圖 1。激勵電壓的漂移會使輸出信號產(chǎn)生相應(yīng)的漂移 , 六線制中ADC輸入信號及基準(zhǔn)由同一激勵源導(dǎo)出, 若被測量未改變, A D C 的數(shù)字量輸出不會隨電橋激勵電壓的漂移而改變 。因此無需精確、 穩(wěn)定的基準(zhǔn)源便可以實現(xiàn)精確測量。

2A D模塊

2. 1A D 7799的特點

A D 7799是美國模擬器件公司 ( A D I ) 的一款新型、△ - ∑型 3通道 24位 A D C , 適用于高精度工業(yè)級轉(zhuǎn)換 。以 A D 7799為核心的 A /D 轉(zhuǎn)化硬件結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

儀表的精度主要取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率, 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇對儀表性能至關(guān)重要 , A D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不僅決定采集電路所能轉(zhuǎn)換的模擬電壓動態(tài)范圍 , 也在很大 程度上影響測試電路 的轉(zhuǎn)換精 度。A D 7799有效分辨率 23位, 峰- 峰分辨率 20. 5位 ( g a i n= 1,轉(zhuǎn)換率為 4. 17H z ) 。

轉(zhuǎn)換速率: 確定 A D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率時, 應(yīng)該考慮系統(tǒng)的采樣速率, A D 7799可達(dá) 4. 17H z ～ 470H z 。

量程: 輸入信號最小值有從零開始,也有從非零開始的。 A D 7799 絕對輸入 電壓 ( G N D +100m V )～( A V D D - 100m V ) ( g a i n = 1,有輸入緩沖 ) 。

線性度 : A D C 實際轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移 , AD7799非線性度為 ± 0. 0015%。

其他參數(shù)可參考 A D I 的說明書。

2. 2 A D 7799的操作說明

2. 2. 1寄存器

對 A D 7799的操作是通過寫其中的寄存器 , 不管讀寫哪個寄存器單片機都必需先寫通信寄存器 ( c o m -m u n i c a t i o nr e g i s t e r ) 以確定下一步是讀或?qū)?,是訪問哪一個寄存器 。

通過寫模式寄存器( m o d er e g i s t e r ) 可以使 A D 7799工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式 、單次轉(zhuǎn)換模式、空閑模式、省電模式、片內(nèi)零度校準(zhǔn)、片內(nèi)滿度校準(zhǔn)、系統(tǒng)零度校準(zhǔn) 、 系統(tǒng)滿度校準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換速度。

通過寫配置寄存器 ( c o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r ) 可以選擇測量通道 、 該通道是雙極性還是單極性 、 該通道是否開通 100n A 的電流源、該通道的放大倍數(shù)和是否開通參考電源檢查功能。

2. 2. 2 數(shù)字接口

數(shù)字接口有 4條線: 片選信號 /C S 、串行同步時鐘S C L K 、數(shù)據(jù)輸入線 D I N 、 數(shù)據(jù)輸出 D O U T /R D Y , D O U T /R D Y 第二個功能轉(zhuǎn)換結(jié)束的通知信號, 一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束D O U T/R D Y 為低電平。

2. 2. 3 數(shù)字濾波

A D 7799的有效分辨率受噪聲的限制 , 并且隨著其輸出數(shù)據(jù)速率和增益設(shè)置而變化。平均值濾波器可以用來增加有效分辨率并且去除盡可能多的噪聲, 從而可在保持最急劇的階躍響應(yīng)的同時減少隨機噪聲。數(shù)字濾波有算術(shù)平均濾波、 窗口移動平均濾波 、 加權(quán)移動平均濾波等。

3　三運放儀表放大器 ( I N- A MP )

儀表放大器是一種具有輸入差分信號放大而抑制共模信號干擾,同時實現(xiàn)阻抗變換的放大器。

圖 3所示為三運放儀表放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 。 A l 和A 2運算放大器緩沖輸入電壓, 整個差分輸入電壓都呈現(xiàn)在電阻 R g 兩端,所以差分增益可以通過在 R g 兩端并聯(lián)電阻來調(diào)整 ,但不增加共模增益和誤差,即差分信號將按增益成比例增加, 而共模誤差則不然。電阻網(wǎng)絡(luò)集成在儀表放大器芯片內(nèi)部, 一旦這個減法器電路的增益用比率匹配的電阻器設(shè)定后 , 在改變增益電阻R g 時不再對電阻匹配有任何要求 ,也不存在電阻匹配問題。 I N A 131就是一款這樣的儀表放大器。傳遞函數(shù)見以下公式, 不接外界增益電阻時放大倍數(shù)為100. 057。

Vo u t- V r e f = ( V i n + - V i n- ) ( 1+ 2R3 /R g ) ( R 1 /R 2 )

由于 I N A 131是雙電源放大器 , 當(dāng)接在單電源電路里,必須在 VR e f 端接適當(dāng)?shù)钠秒妷骸?( V i n+ - V in - )最大為 20m V時 , ( Vo u t -V r ef ) 為 2V , 可選擇 V R e f 為2. 5V , Vo u t 最大為 4. 5V ,滿足 A D C 的輸入要求。同時將Vo u t 和 V r e f 分別連接到 A D C 的 I N+ 、I N- 端 ,形成全差分輸入 。

另外,在信號進(jìn)入儀表放大器之前, 簡單的 R C 或L C 濾波是很有必要的。

4　抗干擾技術(shù)

實際應(yīng)用中 ,傳感器往往離測量儀器有一定的距離 ,信號傳輸電纜的損耗電阻、漏電阻和分布電容將對電路的共模抑制性能產(chǎn)生影響。為了提高放大器對共模信號的抑制能力,應(yīng)設(shè)法消除損耗電阻 、 漏電阻及分布電容對共模信號的分壓作用。方法之一見圖 3, 在儀表放大器的輸入端增加一個由運放 A 4組成的跟隨器電路 ,直接接到電纜的屏蔽層 。

對于電路模擬部分的地線, 儀表放大器的地線和A D7799的地線要實現(xiàn)單點接地 , 特別要防止走大電流的地線和 A D 7799的地線相互干擾。保證所有電流的返回路徑都盡可能地靠近它們到達(dá)目的地所走的路徑 。同時輸入端 A I N 、R E F I N 最好采用全差分模式, 避免直接接地 ,減少地線噪聲對信號的干擾 。

數(shù)字電源、模擬電源相互隔離, 避免相互交疊,并且都使用電容去耦 , 去耦電容盡可能靠近各芯片的電源管腳。 A D 7799的數(shù)字部分和模擬部分共用同一個地和電源 。數(shù)字電源和模擬電源單獨接到 5V 電源根部, 兩者之間可用磁珠、 電感 、 二極管隔開 , 見圖 2。

A D 7799模擬輸入端一般工作在緩沖模式以增加 A D 轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗 ,減小信號源內(nèi)阻對轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響。 參考輸入端為非緩沖 , 產(chǎn)生一個高阻抗動態(tài)負(fù)載, 連接在參考端上的電阻 / 電容會引起直流增益誤差, 此誤差的大小取決于參考信號源的輸出阻抗 。

5　實驗結(jié)果和結(jié)論

5. 1　儀表放大器穩(wěn)定性實驗

在一定的傳感器信號輸入下, 比較儀運輸出與輸入的關(guān)系。電壓用 A g i l e n t 34401A 準(zhǔn) 6位半數(shù)字表測量 5次取平均,每隔 5m i n 做一次測量 ( 表 1) 。

儀表放大器的放大倍數(shù)相對穩(wěn)定 , I N A 131的理論放大倍數(shù)為 100. 057, 但實際上測得的放大倍數(shù)均和實際的有差別 ,不排除電壓表的輸入阻抗和接觸阻抗對小信號以及前置濾波電容的影響。

5. 2A D 性能線性度實驗

生成的 10V 激勵電源對傳感器供電, AD 7799的基準(zhǔn)為 10V 反饋信號的 1/4即 2. 5V , 電橋的信號經(jīng)I N A 131放大后進(jìn)入 A D 7799。

A D 7799工作在單極性連續(xù)轉(zhuǎn)換模式 , 轉(zhuǎn)化速率4. 17H z , 內(nèi)部放大倍數(shù)設(shè)為 1。初始化時先作片內(nèi)零度校準(zhǔn) ,再作片內(nèi)滿度校準(zhǔn), 未作系統(tǒng)零度校準(zhǔn)、系統(tǒng)滿度校準(zhǔn)。

輸入電壓用 A g i l e n t 34401A 準(zhǔn) 6位半數(shù)字表測量10次 ,連續(xù)測量取平均值 , A D輸出數(shù)字量為 A D77991000次連續(xù)采樣輸出量之和( 表 2) 。

“相對電壓” = Ai - A 1 ( i = 2 ～ 7) ,同理, “相對數(shù)字量 ” = D i - D 1 ( i = 2 ～ 7) 。“百分比 ” = C i /C 7 ( i =1～6) , “百分比之差” = 百分比 1 - 百分比 2線性度實驗在認(rèn)為輸入電壓相對穩(wěn)定的前提下當(dāng)“百分比之差”越小時說明數(shù)字量輸出的線性效果越好 。從表中數(shù)字看出 , A D 7799的線性效果是滿足使用要求的。

5. 3A D 性能重復(fù)性試驗

本實驗條件同 5. 2。重復(fù)性實驗是衡量 A DC 輸出穩(wěn)定性的一種方法,這里重復(fù)性定義為 A D C 7799 1000次連續(xù)輸出的( 最大值 - 最小值 ) 除以平均值 ,該值越小說明最大值和最小值之間的差距越小 ,而且該值隨電壓變大而減小 。從圖 4中數(shù)字看出 , 本稱重控制器的電路設(shè)計在數(shù)據(jù)的采集上是很穩(wěn)定的。

 

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