基于恒流源激励的远距离高精度电子秤

　　1　恒压源激励的应变桥在长距离传输信号时的不足

　　如图1所示应变桥的等效模型。其中, R₁, R₂,R₃,R₄为应变片,Rs,Rp是调零和补偿电阻。假设由激励源到桥路的导线电阻为R,当采用5V供电时,对于350Ω电桥,电流值大约为14mA。当线路电阻为0.4Ω时,会产生大约11mV的压降,这使应变桥的激励电压产生了较大的误差。当称重范围较大时,桥路电流值有较大的变化,影响了测量精度。更为严重的是,当供桥电源导线附近存在较强电磁场时,带来的串模干扰将严重影响测量精度。

　　2　基于恒流源激励的分析

　　由于激励导线的电阻R基本上对恒流源没有影响,所以从导线损失电压的角度说,基本上没有线损,这一点是难能可贵的。同时由于串模干扰与电流源串联,这样串模干扰基本上对供桥的恒定电压不产生影响,由此可见,恒流源的优越性高于恒压源。恒流源的设计方案主要有如下几种:

　　(1)基于负反馈的方式

　　图2中,设基准源(LT1019)电压基准为Vref=2.500V,精密电阻为R=200Ω,运算放大器为精密放大器(OPA277),这样流过桥路的电流为Io=Vref/R=12.5mA。由于R为精密电阻,温度系数小于<100×10^-6/℃,所以这个恒流源具有足够的精度。当某种原因,恒流源Io↓,则V-↓,而基准源具有很高的稳定性,可以认为其值不变化,于是△u↑, Io↑,使输出恒流源基本稳定。这种方法的优点是可以在较大范围内调整恒流源,负反馈使输出相对稳定;缺点是对电阻R的精密要求很高,同时要求一个低噪音低失调的精密放大器,一个初始精度高,低温漂的电压基准,增加了产品的成本。

　　(2)基于专用芯片

　　目前,有很多专用芯片可以提供精度合乎要求的恒流源,如TI(美国德州仪器公司)的ADS1218和一些信号调理芯片。它们的优点是使用方便,设计简单;然而专用芯片提供的恒流源的输出比采用负反馈的输出要小,当产生高于10mA的恒流时,一般需要外加精密电阻;同时调节上限一般不超过20mA。如果出于印制电路板(PCB)体积和电路稳定性及调试方便的考虑,选择这样的专用芯片不失为一种好方法。

　　3　系统组成

　　利用恒流源作为激励的称重系统电路构成框图如图3所示。

　　恒流源激励作用到桥路上后,桥路产生一个相应的输出信号,这个信号经过滤波后,送给AD转换,转换结果由单片机读取,再由单片机送到外设中(如LED,LCD),同时也从外设中(如键盘)读取相应的用户信息。

　　4　参数对比

　　(1)分辨率

　　(测试条件:传输导线长为4m,室温为18℃,传感器称重量程为60kg)