对基于力敏元件的天平系统偏移进行补偿的电路

2009-12-24 14:04:04来源: 电子设计技术

      设计电阻桥式传感器与5V单电源供电的ADC之间的接口是一个新的挑战。有些应用需要输出电压在0V到满量程电压(如4.096V)之间以高精度波动。对大多数单电源仪表放大器,当输出信号接近0V、接近单电源低输出摆幅限制时,会出现问题。一个好的单电源仪表放大器可在接近于单电源地电压的范围内摆动,即使有真正的满摆幅输出,也不能达到地电压。

图1此电路中的串接双DAC在上电校准程序运行期间从微处理器获得一个补偿电压

  在本应用中,传感器是一个精密的力敏元件,其额定负载为5kg,即约11磅。在铝盘上测重大约为150g的物体,即大约5盎司。由于铝盘自重,即使没有任何物体称重,仪表放大器的输出信号也不能低到0V。现在,问题是如何补偿仪表放大器的输出偏移电压和铝盘本身产生的电压。

  软件弥补系统偏移是最简单的方法。在加电期间,铝盘上没有称重物体,系统可以获取偏移电压,并将数据记录在微控制器内存中。随后,当有物体称重时,从获得的数据中减去它即可。但是,这种做法不能达到天平的5kg满量程,仅能达到4.85kg。

  本设计实例说明如何利用微控制器实现硬件补偿。当加电后,运行软件程序复位系统偏移。解决方案如图1所示,基于四个来自Linear Technology公司IC的简 单电路。精密电压基准IC1,有高达50mA的最小输出电流。它提供4.096V输出电压驱动力敏元件,并设置12位ADC(IC3)的满量程范围。高精度仪表放大器LT1789-1(IC2)的特点是在0℃~70℃温度范围内,最大输入失调电压为150mV,满摆幅输出电压相对地电压110mV范围内摆动时,最大输入失调偏移电压是0.5mV/℃。通过精密电阻R2 (阻值为500Ω)设定增益,当称重是5kg时,输出范围为4.096V,其最大输入信号是VCC×S=4.096V×2mV/V=8.192mV,这里 S是该传感器的灵敏度。

  双通道DAC(IC4)的DAC_A输出在仪表放大器参考引脚处提供200mV的参考电压,以避免放大器本身地饱和,但传输特性不是线性关系。放大器最坏情况下输出偏移是:VREF+VPAN±VOFFSET=200mV+125mV±500×150mV= 325mV±75mV=250mV/400mV,这里VPAN=125mV,是铝盘自重产生的电压值。

  因此系统输出偏移是250mV 到400mV。加电后,微控制器运行一个程序设置DAC_A输出为200mV,同时,增加双通道DAC(IC4)的DAC_B输出直到等于ADC (IC3)管脚2上的系统偏移,转换结果就是000h。这一结果是可能的,因为IC4包含两个12位2.5V满量程电压的DAC,最低有效位(LSB)等于0.61mV,小于分辨率为1mV的IC3。这个数字相当于该天平的分辨率:5000g/4096=1.22g。当最大负载5kg时,仪表放大器的最大输出电压是4.096V + VOUT_TOTAL_OFFSET_INA = 4.346V/4.496V,低于4.62V高饱和状态下温度的最坏情况。

  IC3有一个单极差分输入,所以可以从+IN输入电压中减去一个恒定电压值等于IC4的DAC_B提供的系统偏移。在第一个半时钟周期内,ADC采样和保持正向输入电压。这阶段结束,或在采集时间内,输入电容切换到负输入并开始转换。在IC3输入端的RC输入滤波器的时间常数为0.5ms,允许正负输入电压采用最高为200kHz时钟频率在转换时间的第一时钟周期内达到12位精度。如果想增加时间常数,必须采用较低时钟频率。

  此外,DAC和ADC有一个三线串行接口,可方便地将数据传输到最高采样率为12.5kS/s的宽范围微控制器。当ADC处于没有转换的时候,它会自动把功率降至1nA的电源电流,而且如果微控制器通过其引脚3来关闭 IC1,电路限制电源电流在最坏情况下仅为1mA,因为所有的IC集成电路都是微功耗的。

关键字:传感器  力敏元件  补偿

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2009/1224/article_1952.html
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