微型稱重測(cè)力傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

李萌萌，寧 祎，王 統(tǒng)

（河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人研究所，鄭州 450007）

0 引言

經(jīng)過多年的發(fā)展，壓力傳感器已成為一種工業(yè)和醫(yī)療檢測(cè)的重要器件。壓力傳感器應(yīng)用廣泛：用在井下壓力信息采集、醫(yī)療檢測(cè)、直射武器立靶密集度測(cè)量、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)稱重和兩足外骨骼機(jī)器人足底壓力測(cè)量[1～3]等方面。壓力傳感器采用電橋式電路結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的線性度和靈敏度，及很好的溫度補(bǔ)償性能。但一個(gè)微應(yīng)變電橋輸出只有2mV左右，即使在滿載情況下，應(yīng)變片的最大輸出也只有數(shù)10mV[4]，使信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換受限，不能良好的完成信號(hào)采集工作。因此，需要對(duì)壓力傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行有效放大和調(diào)理。

本文使用增益可編程，單電源供電，雙端輸入單端輸出及高共模抑制比的儀表放大器AD623，設(shè)計(jì)完成信號(hào)調(diào)理電路，把微弱直流電壓信號(hào)放大到數(shù)百毫伏甚至更高，以滿足A/D采集要求。

1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

實(shí)際應(yīng)用中，傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)必須考慮三項(xiàng)主要內(nèi)容：1）針對(duì)傳感器本身的特性設(shè)計(jì)恒流源或恒壓源,即電流（或電壓）不受傳感器輸入負(fù)載變化的影響,使傳感器輸出特性只與被測(cè)量有關(guān)；2）根據(jù)傳感器的輸出特性,設(shè)計(jì)信號(hào)放大與增益可控電路,以滿足信號(hào)采集與處理的要求,即信號(hào)便于與A/D轉(zhuǎn)換器接口；3）設(shè)計(jì)濾波電路[5]。

本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路主要由壓力傳感器和信號(hào)調(diào)理模塊組成，其中信號(hào)調(diào)理模塊由+5V電源模塊、濾波電路及AD623等器件組成。信號(hào)調(diào)理電路框圖如圖1所示。

圖1 信號(hào)調(diào)理電路框圖

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

本研究中所采用的壓力傳感器是不銹鋼材質(zhì)，外形尺寸結(jié)構(gòu)微小，適用于各種微小空間檢測(cè)。其直流供電電壓范圍是+5V～+10V。儀表放大器AD623單電源供電電壓范圍是+3V～+12V。本設(shè)計(jì)采用LM2931電壓校準(zhǔn)模塊為壓力傳感器和AD623提供+5V精準(zhǔn)供電電壓。LM2931有不同型號(hào)，分為固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出，有非常低的靜態(tài)電流，輸出電流超過100mA，有短路保護(hù)。本設(shè)計(jì)采用輸出固定電壓為+5V的LM2931AM-5設(shè)計(jì)完成+5V電源模塊。為了保持電壓穩(wěn)定性，針對(duì)電源模塊的輸入和輸出都加了去耦電容，其中電源輸出端電容值至少為100μF。+5V電源模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電源模塊電路

2.2 放大電路模塊

壓力傳感器有其特定的參數(shù)。若要壓力傳感器輸出信號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換器接口相匹配，首先要根據(jù)壓力傳感器的分度值確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。壓力傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 壓力傳感器參數(shù)

注：si為壓力傳感器i的載荷靈敏度，fimax為壓力傳感器i的額定量程，us為壓力傳感器i的電源電壓，mimin為壓力傳感器i能夠分辨的最小載荷量，vic為壓力傳感器i的共模電壓，vid為壓力傳感器i的差模電壓。

壓力傳感器額定量程為75Kg，最小稱量200g，那么其分度值A(chǔ)=75Kg/200g=375，因此A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少需要9位。本研究所用A/D轉(zhuǎn)換器是S12系列單片機(jī)型號(hào)MC9S12XDP512（以下簡(jiǎn)稱XDP512）的ATD模塊，其轉(zhuǎn)換位數(shù)有8位和10位可選，這里選擇10位轉(zhuǎn)換。

確定轉(zhuǎn)換位數(shù)后，要根據(jù)壓力傳感器的參數(shù)和XDP512單片機(jī)ATD的輸入性能確定電路的增益值。這要求正確分析儀表放大器AD623的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。AD623的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。AD623是兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)，第一級(jí)為兩個(gè)輸入運(yùn)放U1和U2按同相輸入接法組成，第二級(jí)為一個(gè)輸出運(yùn)放U3組成差分放大電路。在第一級(jí)電路中，壓力傳感器輸出的正信號(hào)和負(fù)信號(hào)分別加在AD623的同相端和反相端。AD623與傳統(tǒng)三運(yùn)放結(jié)構(gòu)儀表放大器的不同之處是在兩個(gè)輸入運(yùn)放之前分別加兩個(gè)PNP晶體管作為電壓緩沖器，以便向兩個(gè)輸入運(yùn)放提供共模信號(hào)，并且符合電源限輸入運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)的要求。輸出運(yùn)放用來將差動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換成單端電壓，它還對(duì)前面兩個(gè)輸入運(yùn)放輸出的共模信號(hào)起到抑制作用，有益于改善整個(gè)電路的性能。兩級(jí)放大最終的增益值可由公式：計(jì)算出。其中，G為增益值，RG為跨接在第1引腳和第8引腳之間的電阻。當(dāng)1腳和8腳之間不接電阻時(shí)，AD623實(shí)現(xiàn)單位增益。AD623可實(shí)現(xiàn)的增益范圍是[1,1000]。

圖3 AD623結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

定義Uimin為壓力傳感器在最小載荷量作用下的輸出，Uimin由式（1）：

計(jì)算出，為26.67μV。XDP512的ATD模塊，采用10位轉(zhuǎn)換，其能夠分辨的最小電壓uinmin由式（2）：

計(jì)算出。式中VREF為ATD的參考電壓，其范圍是0～+5V，這里選擇VREF為+5V，則uinmin為4.89mV。由以上分析可看出，如果信號(hào)不放大，A/D轉(zhuǎn)換器將不能識(shí)別Uimin。因此必須對(duì)壓力傳感器的輸出電壓放大。其最小放大倍數(shù)Aumin由式（3）：

計(jì)算出，為500。因此，壓力傳感器輸出信號(hào)增益范圍是[183.40,500]。綜合考慮AD623的性能及放大電路的穩(wěn)定性,設(shè)置放大電路增益值為238，則根據(jù)公式反求出電阻RG的大小為421.9Ω，取標(biāo)稱阻值422Ω，這確定了放大電路模塊的增益電阻值參數(shù)。

2.3 濾波電路

為了抑制RF干擾信號(hào)，在壓力傳感器的信號(hào)輸出端，即儀表放大器AD623的信號(hào)輸入端設(shè)計(jì)了RC低通濾波器，如圖4所示。為了使AD623獲得穩(wěn)定電壓，在AD623的正電源端加了去耦電容，0.1μF的陶瓷電容和10μF的鉭電解電容并聯(lián)。

XDP512 單片機(jī)ATD 的采樣頻率可以在28KHz～500KHz范圍內(nèi)選擇，單片機(jī)總線時(shí)鐘頻率設(shè)置為8MHz，對(duì)其12分頻，得到ATD時(shí)鐘頻率667K，ATD采樣頻率設(shè)置為67K。為了在獲得良好濾波效果的同時(shí)能夠滿足采樣定理，設(shè)計(jì)低通濾波器的截止頻率為fc=9.7K。圖4中，R1與C3（同樣，R2與C4）組成低通濾波器。因?yàn)閒c=1/2πR1C3，選電阻R1為91K，則計(jì)算出C3容值為180pF。91K電阻足夠大，能夠有效隔離來自電容電路的輸入，同時(shí)帶來的電路噪聲影響也很微小。為了保持放大器的共模抑制能力，電容C3與C4的容許誤差需要達(dá)到5%或更好。R1/R2與C3/C4組成了橋式電路，它們的輸出穿過放大器的輸入，C3和C4有任何不匹配，都將使橋路不平衡，并降低共模抑制能力。所以R1與R2相等，C3與C4相等，使橋式電路對(duì)稱，獲得良好濾波效果的同時(shí)，又不降低電路的共模抑制能力。

電容C5用來保持低頻段共模抑制能力，保證所有的RF信號(hào)都是共模的，同時(shí)又不差分放大這些信號(hào)。R1+R2和C5組成了第二個(gè)低通濾波網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)低通濾波電路的截止頻率約為10.66K。

3 仿真分析

圖4 放大與濾波電路

Multisim是美國國家儀器公司（NI）推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。電路仿真軟件Multisim擁有龐大的元器件庫，具有強(qiáng)大的虛擬儀器功能。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。本設(shè)計(jì)采用Multism13仿真軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的放大電路進(jìn)行仿真，仿真電路如圖5所示。V2和V3模擬壓力傳感器輸出的直流差分電壓信號(hào)，萬用表XMM1用來顯示放大電路的輸出電壓，所選電容容許誤差為5%，所選增益電阻為1%精度的金屬膜電阻。因?yàn)锳D623的第5引腳參考端接地，放大電路的輸出電壓就等于壓力傳感器輸出的差分信號(hào)實(shí)際被放大的電壓。手動(dòng)更改V2和V3的差分電壓值，從1mV～10mV共10組值，觀察萬用表的數(shù)字值，并記錄，制成增益表，如表2所示。

表2 增益表

由表2知，增益與所設(shè)計(jì)的增益238最大相差0.993%，最小相差0.042%。由AD623的特性可知，增益增大，其增益誤差也增大，G＞1時(shí)，增益誤差推薦為0.35%?？紤]到本設(shè)計(jì)增益為238，遠(yuǎn)大于1倍增益，增益誤差在0.042%～0.993%范圍內(nèi)是可接受的。

4 結(jié)束語

針對(duì)雙足步行機(jī)器人用某微型稱重測(cè)力傳感器設(shè)計(jì)了以AD623為核心的信號(hào)調(diào)理電路，單電源供電，一個(gè)增益電阻完成放大，減少了元器件的使用數(shù)量，減小了電路板的設(shè)計(jì)尺寸，便于足底安裝。對(duì)主要電路放大電路進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)電路增益誤差為0.042%～0.993%，能夠?qū)ξ⑷踔绷麟妷盒盘?hào)進(jìn)行有效放大，滿足微控制器XDP512單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)采集要求。

[1]李思穎,張正元,湯杰,等.一種單片集成壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué).2014,44(1)：78-80.

[2]周娟,袁良豪,曹德森,等.壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程.2007,26(4)：395-398.

[3]曹恒,孟憲偉,凌正陽,等.兩足外骨骼機(jī)器人足底壓力測(cè)量系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào).2010,23(3)：326-330.

[4]周靜,田文鶴.壓力傳感器信號(hào)調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011,1：11-12.

[5]韓進(jìn)宏.壓力傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)及誤差補(bǔ)償技術(shù)[J].傳感器技術(shù).1995,4：37-39.

[6]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)-模擬部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2006.