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皮带秤称重模块的设计

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1 皮带秤称重仪的整体设计

1.1 称重原理

一段时间 t 内的总输送量 W( t ) 是对瞬时流量q ( t ) 与带速 v ( t ) 乘积的积分。其相互关系可用以下式子表示:

W( t )= 0 tq ( t ) · v ( t ) · d t

q ( t )= ( A D- A D 0 ) · C 0 · C 1

A D 为每次得到的 A D C 输出数字量 , A D 0 为空载时的 A D C 输出量, 即皮重 ; C 0 为量程系数 , C 1 为用户系数。

C 0 = G /( L · A D )

C 0 是为不同的传感器和秤架特定的系数, G 表示传感器满程重量 ( k g ) , L 为重量感受长度 ( m ) , A D 这里取值 224 ( A D C 满程输出 ,其实这里应该对应传感器满程输出的 A D 代码 , 出于简化可将 224 代替 , 由此带来的误差可由 C 1 调整 ) , C 1 的作用是在调试阶段对总输出的微调 ,以满足称重的精确

1. 2 称重模块

称重模块包括激励电源 、传感器 、仪表放大器、ADC、脉冲编码器,连接关系如图 1

为了提高试验精确度 ,长线测量时 , 采用六线制。即在原有四线制的基础上增加两根电缆作为供桥电压的反馈 , 并接到 A D C 的基准电压端, 见图 1。激励电压的漂移会使输出信号产生相应的漂移 , 六线制中ADC输入信号及基准由同一激励源导出, 若被测量未改变, A D C 的数字量输出不会随电桥激励电压的漂移而改变 。因此无需精确 稳定的基准源便可以实现精确测量
称重模块 皮带秤仪表

2 A D模块

2. 1 A D 7799的特点

A D 7799是美国模拟器件公司 ( A D I ) 的一款新型、△ - ∑型 3通道 24 A D C , 适用于高精度工业级转换 。以 A D 7799为核心的 A /D 转化硬件结构如图 2所示。
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仪表的精度主要取决于模数转换器的分辨率, 模数转换器的选择对仪表性能至关重要 , A D 转换器的位数不仅决定采集电路所能转换的模拟电压动态范围 , 也在很大 程度上影 响测试电路 的转换精 度。AD7799有效分辨率 23, - 峰分辨率 20. 5 ( gain= 1,转换率为 4.17H z )

转换速率: 确定 A D 转换器的转换速率时, 应该考虑系统的采样速率, A D 7799可达 4. 17H z 470H z

量程: 输入信号最小值有从零开始,也有从非零开始的。 AD7799 绝对输入 电压 ( GND +100mV )(AVDD-100mV ) ( gain = 1,有输入缓冲 )

线性度 : A D C 实际转移函数与理想直线的最大偏移 , AD7799非线性度为 ± 0. 0015%

其他参数可参考 A D I 的说明书。

2. 2 A D 7799的操作说明

2. 2. 1 寄存器

A D 7799的操作是通过写其中的寄存器 , 不管读写哪个寄存器单片机都必需先写通信寄存器 ( com-municationregister) 以确定下一步是读或写 ,是访问哪一个寄存器

通过写模式寄存器( m o d er e g i s t e r ) 可以使 A D 7799工作在连续转换模式 、单次转换模式、空闲模式、省电模式、片内零度校准、片内满度校准、系统零度校准 系统满度校准和转换速度。

通过写配置寄存器 ( c o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r ) 可以选择测量通道 该通道是双极性还是单极性 该通道是否开通 100n A 的电流源、该通道的放大倍数和是否开通参考电源检查功能。

2. 2. 2 数字接口

数字接口有 4条线: 片选信号 /C S 、串行同步时钟S C L K 、数据输入线 D I N 数据输出 D O U T /R D Y , D O U T /R D Y 第二个功能转换结束的通知信号, 一旦转换结束D O U T /R D Y 为低电平。

2. 2. 3 数字滤波

A D 7799的有效分辨率受噪声的限制 , 并且随着其输出数据速率和增益设置而变化。平均值滤波器可以用来增加有效分辨率并且去除尽可能多的噪声, 从而可在保持最急剧的阶跃响应的同时减少随机噪声。数字滤波有算术平均滤波 窗口移动平均滤波 加权移动平均滤波等。

3 三运放仪表放大器 ( I N- A MP )

仪表放大器是一种具有输入差分信号放大而抑制共模信号干扰,同时实现阻抗变换的放大器。
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3所示为三运放仪表放大器内部结构 A l A 2运算放大器缓冲输入电压, 整个差分输入电压都呈现在电阻 R g 两端,所以差分增益可以通过在 R g 两端并联电阻来调整 ,但不增加共模增益和误差,即差分信号将按增益成比例增加, 而共模误差则不然。电阻网络集成在仪表放大器芯片内部, 一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后 , 在改变增益电阻R g 时不再对电阻匹配有任何要求 ,也不存在电阻匹配问题。 I N A 131就是一款这样的仪表放大器。传递函数见以下公式, 不接外界增益电阻时放大倍数为100. 057

Vo u t - V r e f = ( V i n + - V i n- ) ( 1+ 2R 3 /R g ) ( R 1 /R 2 )

由于 I N A 131是双电源放大器 , 当接在单电源电路里,必须在 VR e f 端接适当的偏置电压。 ( V i n+ - V i n - )最大为 20m V , ( Vo u t -V r e f ) 2V , 可选择 V R e f 2. 5V , Vo u t 最大为 4. 5V ,满足 A D C 的输入要求。同时将Vo u t V r e f 分别连接到 A D C I N+ I N- ,形成全差分输入

另外,在信号进入仪表放大器之前, 简单的 R C L C 滤波是很有必要的。

4 抗干扰技术

实际应用中 ,传感器往往离测量仪器有一定的距离 ,信号传输电缆的损耗电阻、漏电阻和分布电容将对电路的共模抑制性能产生影响 。为了提高放大器对共模信号的抑制能力,应设法消除损耗电阻 漏电阻及分布电容对共模信号的分压作用。方法之一见图 3, 在仪表放大器的输入端增加一个由运放 A 4组成的跟随器电路 ,直接接到电缆的屏蔽层

对于电路模拟部分的地线, 仪表放大器的地线和A D 7799的地线要实现单点接地 , 特别要防止走大电流的地线和 A D 7799的地线相互干扰。保证所有电流的返回路径都尽可能地靠近它们到达目的地所走的路径 。同时输入端 A I N R E F I N 最好采用全差分模式, 避免直接接地 ,减少地线噪声对信号的干扰

数字电源、 模拟电源相互隔离, 避免相互交叠,并且都使用电容去耦 , 去耦电容尽可能靠近各芯片的电源管脚。 A D 7799的数字部分和模拟部分共用同一个地和电源 。数字电源和模拟电源单独接到 5V 电源根部, 两者之间可用磁珠、 电感 二极管隔开 , 见图 2

A D 7799模拟输入端一般工作在缓冲模式以增加 A D 转换器的输入阻抗 ,减小信号源内阻对转换结果的影响。 参考输入端为非缓冲 , 产生一个高阻抗动态负载, 连接在参考端上的电阻 / 电容会引起直流增益误差, 此误差的大小取决于参考信号源的输出阻抗

5 实验结果和结论

5. 1 仪表放大器稳定性实验

在一定的传感器信号输入下, 比较仪运输出与输入的关系。电压用 A g i l e n t 34401A 6位半数字表测量 5次取平均,每隔 5m i n 做一次测量 ( 1)
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仪表放大器的放大倍数相对稳定 , I N A 131的理论放大倍数为 100. 057, 但实际上测得的放大倍数均和实际的有差别 ,不排除电压表的输入阻抗和接触阻抗对小信号以及前置滤波电容的影响。

5. 2 A D 性能线性度实验

生成的 10V 激励电源对传感器供电, A D 7799的基准为 10V 反馈信号的 1/4 2. 5V , 电桥的信号经I N A 131放大后进入 A D 7799

A D 7799工作在单极性连续转换模式 , 转化速率4. 17H z , 内部放大倍数设为 1。初始化时先作片内零度校准 ,再作片内满度校准, 未作系统零度校准、系统满度校准。

输入电压用 A g i l e n t 34401A 6位半数字表测量10 ,连续测量取平均值 , A D输出数字量为 A D 77991000次连续采样输出量之和( 2)
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“相对电压” = Ai - A 1 ( i = 2 7) ,同理, “相对数字量 = D i - D 1 ( i = 2 7) “百分比 = C i /C 7 ( i =16) , “百分比之差” = 百分比 1 - 百分比 2线性度实验在认为输入电压相对稳定的前提下当“百分比之差 ”越小时说明数字量输出的线性效果越好 。从表中数字看出 , A D 7799的线性效果是满足使用要求的。

5. 3 A D 性能重复性试验

本实验条件同 5. 2。重复性实验是衡量 A D C 输出稳定性的一种方法,这里重复性定义为 A D C 7799 1000次连续输出的( 最大值 - 最小值 ) 除以平均值 ,该值越小说明最大值和最小值之间的差距越小 ,而且该值随电压变大而减小 。从图 4中数字看出 , 称重控制器的电路设计在数据的采集上是很稳定的。
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参考文献:

[ 1]  陆利忠. 测量放大器应用中的抗共模干扰 [ J ] . 测控技术,2007, 26( 1) .

[ 2]  洪东旭, 段卫东. 连续累计自动衡器 ( 皮带秤) 的检定和调整[ J ] . 中国计量, 2005, ( 9) .

[ 3]  3- C h a n n e l , L o w N o i s e , L o w P o w e r , 16-/24- B i t S i g m a - D e l t aA D Cw i t hO n - C h i pI n - A m p - A D 7798/A D 7799[ Z ] . A n a l o gD e v i c e s ,I n c . , 2005.

[ 4]  E a mo nN e a r y . T w od i f f e r e n t a p p r o a c h e st oah i g h - e n dw e i g h -s c a l ed e s i g n [ Z ] . A n a l o gD e v i c e s , I n c . 2005.

[ 5]  王素珍, 郑淑芬. 称重配料系统传感器电源及放大电路[ J ] . 传感器技术, 2001, 20( 2) . ( 丁云编发)

作者:杨细龙

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