称重信号数字化模块设计

　　在工业生产等领域经常需要重量的称量,通常的做法是将传感器信号直接连接到称重仪表或控制系统中。由于称重传感器的信号较弱,所以仪表必须就近安装,以免长线传输引起信号的衰减和干扰。称重信号数字化模块可以在现场将传感器信号数字化,并通过RS485接口将重量以数字通信方式远距离传输。其传输符合ModBus协议,可以方便地接入控制系统、计算机和PLC等。

　　1　电路基本结构

　　如图1,电路包括信号放大、D/A转换、单片机、通讯接口和电源电路几部分。放大和转换选用 Analog Devices的低噪声高精度放大器AD8655与 Cirrus Logic廉价的20位Δ/∑模数转换器CS5513的搭配组合。信号处理采用RISC单片机AT90S2313, 其内部包含E2PROM,可用于保存称重校准系数、上下限控制点等内容。模块采用MAX1487E通讯接口芯片传输数据,此芯片有ESD保护电路,抗干扰能力强,通讯距离可达数km。

　　2　放大电路设计

　　目前的电子称重装置大都使用电阻应变桥式传感器,其核心是由电阻应变计(应变片)构成的电桥电路,这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百倍才能用于A/D转换。

　　设电桥的两个输出端在没有连接处理电路时的电压分别为e1和e2。由于运算放大器输入端的“虚短”效应,在反馈电路的作用下,反相输入端的电压将逼近于同相输入端的电压e1,使电桥平衡。

　　对于最普遍采用的灵敏度为2 mV/V的应变式称重传感器,在额定负荷下R2/[(R+ ΔR)(R-ΔR)]=1·000 004(额定负荷下此比值最大,小于额定负荷时此比值更接近于1), 因为电阻应变式称重传感器的分辨率一般只有1/3 000或1/6 000,所以用R2代替(R+ ΔR)(R-ΔR)产生的放大误差将不影响检测

　　其中Rb是为防止应变片桥路温升时引起桥臂电阻R上升造成放大倍数减小而加的稳定放大倍数的反馈温补电阻,其大小由模块工作温度范围内温补的范围决定。

　　为了提高抗干扰能力,由R1、R2、C1和C2等元件配合运放AD8655组成了有源低通滤波(LPF)电路,以滤除高频干扰信号。合理选择放大电路的Q值及R1、R2、C1和C2,可产生不同的滤波效果和截止频率。“切比雪夫”特性的滤波器虽然衰减特性陡峭,但在进入衰减区域时容易发生振荡,在应用中最好设计成“巴特沃兹”特性。

　　3　电源设计

　　在模拟/数字混合电路中,为减小数字电路噪音对模拟测量的影响,应该为其设计各自独立的供电电路。在该模块中数字电路对电源品质要求不高,所以用普通的三端稳压器LM7805提供电源。模拟部分要求电源稳定、噪音小,LT1761ES5的噪音小于20μV,是理想选择。且由于LT1761ES5是LDO元件,模拟电路供电的建立先于数字电路,这样符合一般的Δ/∑模数转换器的供电次序要求。