稱重儀表的模數轉換系統的製作方法
2023-05-22 05:07:31
稱重儀表的模數轉換系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種稱重儀表的模數轉換系統，包括單片機等，第一電阻、第二電阻連接在稱重傳感器和模數轉換晶片之間，第三電阻連接在第一電阻和第二電阻之間，單片機與模數轉換晶片連接，第四電容、第十五電阻、第十六電阻依次串聯，第四電容與稱重傳感器連接，集成開關電源穩壓晶片與第十六電阻並聯，稱重傳感器與一個正激勵電源、一個負激勵電源連接，正激勵電源的電壓與負激勵電源的電壓不同。本實用新型通過改變儀表輸出的正負激勵電壓的方式，實現既能輸出一個高傳感器激勵電壓，又能獲得一個滿足∑-△型ADC低共模電壓輸入要求，降低了儀表提高應用現場的適應能力的設計成本和設計難度。
【專利說明】稱重儀表的模數轉換系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種模數轉換系統，具體地，涉及一種稱重儀表的模數轉換系統。
【背景技術】
[0002]計量技術特別是稱重計量技術中，AD(模數)技術是最關鍵的一個環節。稱重技術需要高解析度、高集成度、高可靠性和低價格的ADC。Σ - Λ轉換技術將過採樣、抽取濾波以及量化噪聲整形三項技術結合在一起，實現了高集成度、高測試精度，恰好滿足這些要求。目前，Σ - Λ技術的ADC已成為稱重技術AD技術中最主流的ADC，被廣泛的應用於各種非自動和自動電子衡器中。
[0003]稱重儀表在應用中，既要求要有很高的計量精度，同時又要求儀表測得的測量數據要有較高的穩定性。要滿足上述要求，首先需要儀表的ADC (模數轉換電路)要有很高的解析度，另外需要儀表接受的輸入測量信號要儘可能的大。
[0004]稱重儀表米用Σ - Λ型ADC，實現尚解析度是不存在冋題的，主要是解決如何獲得大輸入測量信號這一問題。一般來說，獲得大輸入信號的方法有兩種:(I)增大輸入信號放大電路的放大倍數；(2)提高傳感器的激勵電壓。增大輸入信號的放大倍數不是最理想的方式:因為來自傳感器的輸入信號在信號傳輸過程中，不可避免的會被疊加上諸多噪聲(幹擾)信號，在經過信號放大器放大時，輸入的測量信號和對噪聲都同時被進行放大，無論放大多少倍，都無法改善或提高儀表A/D轉換電路的信噪比，達到實現高精度測量時數據穩定性的目的。而通過提高傳感器激勵電壓的方式，僅僅只是增大輸入的測量信號，不會改變噪聲信號的大小，這就無形中提高了儀表A/D轉換電路的信噪比，提高了電路的抗幹擾能力，提高了高精度測量下數據穩定性。
[0005]但一般的Σ - Λ型ADC都是低電壓工作的(+3.3V?+5V)，輸入信號的共模電壓一般為工作電壓的一半，基準輸入電壓最大不能超過ADC的工作電壓。而稱重傳感器輸出的信號共模電壓是傳感器激勵電壓的一半，這就決定了稱重儀表的激勵輸出電壓不能超過ADC的工作電壓。這一限制，直接就將採樣Σ -Λ型ADC的稱重儀表的激勵輸出限制在了最大只能是+5V，為通過「提高傳感器激勵電壓的方式實現高精度測量下數據穩定性」的方式帶來很大難度，也大大增加了此類儀表提高應用現場的適應能力的設計成本和設計難度。
實用新型內容
[0006]針對現有技術中的缺陷，本實用新型的目的是提供一種稱重儀表的模數轉換系統，其通過改變儀表輸出的正負激勵電壓的方式，實現既能輸出一個高傳感器激勵電壓，又能獲得一個滿足Σ - Λ型ADC低共模電壓輸入要求，降低了儀表提高應用現場的適應能力的設計成本和設計難度。
[0007]根據本實用新型的一個方面，提供一種稱重儀表的模數轉換系統，其特徵在於，包括單片機、集成開關電源穩壓晶片、模數轉換晶片、稱重傳感器、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第十五電阻、第十六電阻、第四電容，第一電阻、第二電阻連接在稱重傳感器和模數轉換晶片之間，第三電阻連接在第一電阻和第二電阻之間，單片機與模數轉換晶片連接，第四電容、第十五電阻、第十六電阻依次串聯，第四電容與稱重傳感器連接，集成開關電源穩壓晶片與第十六電阻並聯，稱重傳感器與一個正激勵電源、一個負激勵電源連接，正激勵電源的電壓與負激勵電源的電壓不同。
[0008]優選地，所述集成開關電源穩壓晶片的型號為LM25965。
[0009]優選地，所述模數轉換晶片的型號為ADS1232。
[0010]優選地，所述第一電阻、第二電阻、第三電阻構成電阻網路。
[0011]優選地，所述第四電容、第十五電阻、第十六電阻構成上電遲滯啟動電路。
[0012]優選地，所述單片機與模數轉換晶片之間設有第八電阻、第九電阻、第十電阻、第十一電阻、第十二電阻、第十三電阻、第九電容，第八電阻、第九電阻、第十電阻三者之間相互並聯，第十一電阻、第十二電阻、第十三電阻三者之間相互並聯，第八電阻與第十一電阻串聯，第九電阻與第十二電阻串聯，第十電阻與第十三電阻串聯。
[0013]優選地，所述模數轉換晶片還與第一電容、第三電容、第五電容、第十一電容、第十二電容連接，第一電容與第十一電容並聯，第三電容與第十二電容串聯。
[0014]優選地，所述集成開關電源穩壓晶片與二極體、第一電解電容、電感、第二電解電容連接。
[0015]優選地，所述稱重傳感器與第六電容、第七電容、第八電容、第六電阻、第七電阻連接。
[0016]與現有技術相比，本實用新型具有如下的有益效果:本實用新型通過改變儀表輸出的正負激勵電壓的方式，實現既能輸出一個高傳感器激勵電壓，又能獲得一個滿足Σ - Λ型ADC低共模電壓輸入要求，降低了儀表提高應用現場的適應能力的設計成本和設計難度。本實用新型既實現了高精度測量，又得到了測量數據的高穩定性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本實用新型的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯:
[0018]圖1為本實用新型稱重儀表的模數轉換系統的電路圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合具體實施例對本實用新型進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本實用新型，但不以任何形式限制本實用新型。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本實用新型的保護範圍。
[0020]如圖1所示，本實用新型稱重儀表的模數轉換系統包括單片機U1、集成開關電源穩壓晶片U2、模數轉換晶片U3、稱重傳感器U4、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第十五電阻R15、第十六電阻R16、第四電容C4，第一電阻R1、第二電阻R2連接在稱重傳感器U4和模數轉換晶片U3之間，第三電阻R3連接在第一電阻Rl和第二電阻R2之間，單片機Ul與模數轉換晶片U3連接，第四電容C4、第十五電阻R15、第十六電阻R16依次串聯，第四電容C4與稱重傳感器U4連接，集成開關電源穩壓晶片U2與第十六電阻R16並聯，稱重傳感器U4與一個正激勵電源EX+、一個負激勵電源EX-連接，正激勵電源EX+的電壓與負激勵電源EX-的電壓不同。集成開關電源穩壓晶片U2的型號為LM25965。模數轉換晶片U3的型號為ADS1232。
[0021 ] 集成開關電源穩壓晶片U2產生負激勵電源EX-，集成開關電源穩壓晶片U2以正激勵電源EX+為輸入電源，電源輸出端(第4腳)與地線連接作為輸出電源地，集成開關電源穩壓晶片U2的地線端(第3腳)作為U2的輸出端，實現負激勵電源EX-的產生。
[0022]模數轉換晶片U3對稱重傳感器U4輸出的模擬信號進行放大並執行A/D轉換。模數轉換晶片U3的內部具有內置放大器，放大倍數由第19腳和20腳的電平狀態進行配置。U3內置濾波電路由第9腳和第10腳之間的第^^一電容Cll共同構成完整濾波電路，實現對輸入模擬信號的濾波。
[0023]單片機Ul主要是控制模數轉換晶片U3復位(模數轉換晶片U3的第22腳)、失調校正(模數轉換晶片U3的第23腳)、監測A/D轉換狀態(模數轉換晶片U3的第24腳)，當U3—次轉換完成時，通過控制同步時鐘(模數轉換晶片U3的第23腳)從模數轉換晶片U3的數據輸出端(第24腳)讀取轉換結果，然後做進一步處理。
[0024]單片機Ul與模數轉換晶片U3之間設有第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻R10、第i^一電阻R11、第十二電阻R12、第十三電阻R13、第九電容C9，第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻RlO三者之間相互並聯，第^^一電阻R11、第十二電阻R12、第十三電阻R13三者之間相互並聯，第八電阻R8與第十一電阻Rll串聯，第九電阻R9與第十二電阻R12串聯，第十電阻RlO與第十三電阻R13串聯。
[0025]模數轉換晶片U3還與第一電容Cl、第三電容C3、第五電容C5、第^^一電容C11、第十二電容C12連接。
[0026]第一電容Cl、第三電容C3、第五電容C5構成模數轉換晶片U3基準輸入的濾波電路，對模數轉換晶片U3的基準電源輸入端進行濾波，以保證基準電壓的穩定。第十一電容Cll跨接在U3的第9腳和第10腳之間，配合模數轉換晶片U3內部濾波電路構成模數轉換晶片U3的片內模擬輸入信號濾波器。
[0027]集成開關電源穩壓晶片U2與二極體D1、第一電解電容E1、電感L、第二電解電容E2連接。第二電解電容E2是集成開關電源穩壓晶片U2的輸入電容，用於對輸入電源進行濾波；第一電解電容El和電感L構成集成開關電源穩壓晶片U2的輸出紋波濾波電路，濾除輸出紋波；二極體Dl為吸收二極體，用於吸收電感L在工作時所產生的反向電動勢。
[0028]稱重傳感器U4與第六電容C6、第七電容C7、第八電容C8、第六電阻R6、第七電阻R7連接。
[0029]第六電容C6、第七電容C7、第八電容C8構成稱重傳感器U4輸出信號的初級濾波電路。第六電容C6和第八電容C8分別濾除正負輸出信號的差模幹擾，第七電容C7用於濾除共模幹擾信號。六電阻R6、第七電阻R7分別串聯在傳感器正負輸出信號線上，一方面與第六電容C6、第七電容C7共同構成T型濾波電路，同時，起到對模數轉換晶片U3的模擬信號輸入端的信號緩衝保護。
[0030]本實用新型的激勵電源採用非對稱雙電源設計，正激勵電源(正激勵電源可以與稱重傳感器U4的第一腳連接)採用DC+10V，負激勵電源(負激勵電源可以與稱重傳感器U4的第三腳連接)採用DC — 5V(DC - 5V由以集成開關電源穩壓晶片U2為核心的負電壓發生電路產生的)，實現高激勵電壓輸入、低共模電壓輸出的目的。採用此非對稱雙電源激勵方式，加載到稱重傳感器U4上的激勵電壓為+1V —(一 5V) =+15V，相比標準Σ-Λ型ADC(此方案中以TI的24bit精度的模數轉換晶片U3為例)一般只能採用+5V激勵電壓，擴大了三倍，實現了高電壓激勵的目的。
[0031]稱重傳感器U4信號輸出信號電壓(U。)為如下式⑴:
[0032]U0= UexcX α..............................................................................(I)
[0033]其中，Uex。為激勵電壓，α為傳感器的輸出靈敏度，由於α為一恆定值，所以當激勵電壓(UEX。)提升三倍後，傳感器輸出信號U。也將提高三倍。
[0034]同時因為採用+1V和一 5V來作為正負激勵電源，稱重傳感器U4為應變式稱重傳感器，本質是由四個阻性元件——電阻式應變計組成的惠斯特電橋，稱重傳感器U4的第二腳和第四腳分別是稱重傳感器正輸出信號和負輸出信號。假設四個電阻應變計的電阻值分別為R，在傳感器輸出信號為O時，則稱重傳感器U4的第二腳處的電壓為:10V-(10V-(-5)V).R/2R = 10V-7.5V = 2.5V ;同理，稱重傳感器U4的第四腳處的電壓也為2.5V。由此可知稱重傳感器U4正負兩路(稱重傳感器U4的第二腳和第四腳)輸出信號的共模電壓為+2.5V，此電壓值完全滿足Σ - Λ型ADC共模電壓要求((+2.5V，推薦+2.5V)，實現了低共模電壓的目的。
[0035]本實用新型通過第一電阻Rl、第二電阻R2、第三電阻R3構成電阻網路，通過此電阻網絡實現高激勵電壓下產生符合Σ - Λ型ADC要求的低激勵反饋電壓的問題。第一電阻Rl的阻值、第二電阻R2的阻值、第三電阻R3的阻值相等，將施加在稱重傳感器U4的1、3腳之間的激勵電壓15V等分，第三電阻R3上的分壓為+5V，將第三電阻R3兩端與模數轉換晶片U3的基準電壓輸入端U3-15 (負基準輸入)、U3-16 (正基準輸入)腳連結，作為模數轉換晶片U3的基準輸入，達到滿足Σ - Λ型ADC基準輸入電壓((+5.5V)的要求。
[0036]通過電阻網絡實現高激勵電壓下產生符合Σ - Λ型ADC要求的低激勵反饋電壓的問題。稱重儀表的激勵反饋電壓很重要，以激勵反饋電壓作為ADC的基準參考電壓能起到稱重技術上所講的「長線補償」作用。但Σ-Λ型ADC(以ADS1232為例)的基準電壓幅值上限是有嚴格規定的:一般為ADC的模擬工作電壓+10%。將稱重傳感器U4端的激勵電壓通過反饋電路返回到稱重儀表，通過第一電阻Rl、第二電阻R2、第三電阻R3組成的電阻網絡產生一路+5V的電壓信號，作為滿足Σ -Λ型ADC(以ADS1232為例)要求(彡+5.5V)的基準輸入電壓。
[0037]+1V電源不僅作為正激勵電壓(EX+)，同時，+1V輸入到集成開關電源穩壓晶片U2後產生一 5V激勵電壓。單片機Ul的第5腳為輸出使能控制腳，與第四電容C4、第十五電阻R15、第十六電阻R16構成的上電遲滯啟動電路連接。當+1V電源還沒穩定建立之前，上電遲滯啟動電路輸出高電平到單片機Ul的第5腳，使單片機Ul的輸出端處於高阻狀態，無一 5V輸出，稱重傳感器U4近似於「開路」工作狀態，所以無信號輸出，這樣也就避免了一5V負激勵電壓還未準確建立時導致共模電壓異常對Σ - Λ型ADC產生損害。同時，從正激勵電壓產生負激勵電壓，也會保證在正激勵+1V有故障時傳感器供電迴路能及時斷電從而避免意外發生。
[0038]本實用新型以低廉、簡單的電路解決了採用Σ - Λ型ADC的稱重儀表不能使用高激勵電壓為傳感器供電的問題，既增大稱重傳感器的輸出信號，提高了信噪比，大大提升了電子稱重儀表的抗幹擾能力和對應用現場的適應能力；同時在高激勵電壓下又降低了傳感器輸出信號的共模電壓，使之適應Σ -Λ型ADC的要求，實現了高精度測量，即:既保證了測量精度，又保證了測量數據的穩定。
[0039]以上對本實用新型的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本實用新型並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本實用新型的實質內容。
【權利要求】
1.一種稱重儀表的模數轉換系統，其特徵在於，包括單片機、集成開關電源穩壓晶片、模數轉換晶片、稱重傳感器、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第十五電阻、第十六電阻、第四電容，第一電阻、第二電阻連接在稱重傳感器和模數轉換晶片之間，第三電阻連接在第一電阻和第二電阻之間，單片機與模數轉換晶片連接，第四電容、第十五電阻、第十六電阻依次串聯，第四電容與稱重傳感器連接，集成開關電源穩壓晶片與第十六電阻並聯，稱重傳感器與一個正激勵電源、一個負激勵電源連接，正激勵電源的電壓與負激勵電源的電壓不同。
2.根據權利要求1所述的稱重儀表的模數轉換系統，其特徵在於，所述集成開關電源穩壓晶片的型號為LM25965。
3.根據權利要求1所述的稱重儀表的模數轉換系統，其特徵在於，所述模數轉換晶片的型號為ADS1232。
4.根據權利要求1所述的稱重儀表的模數轉換系統，其特徵在於，所述第一電阻、第二電阻、第三電阻構成電阻網路。
5.根據權利要求1所述的稱重儀表的模數轉換系統，其特徵在於，所述第四電容、第十五電阻、第十六電阻構成上電遲滯啟動電路。
6.根據權利要求1所述的稱重儀表的模數轉換系統，其特徵在於，所述單片機與模數轉換晶片之間設有第八電阻、第九電阻、第十電阻、第十一電阻、第十二電阻、第十三電阻、第九電容，第八電阻、第九電阻、第十電阻三者之間相互並聯，第十一電阻、第十二電阻、第十三電阻三者之間相互並聯，第八電阻與第十一電阻串聯，第九電阻與第十二電阻串聯，第十電阻與第十三電阻串聯。
7.根據權利要求1所述的稱重儀表的模數轉換系統，其特徵在於，所述模數轉換晶片還與第一電容、第三電容、第五電容、第十一電容、第十二電容連接，第一電容與第十一電容並聯，第三電容與第十二電容串聯。
8.根據權利要求1所述的稱重儀表的模數轉換系統，其特徵在於，所述集成開關電源穩壓晶片與二極體、第一電解電容、電感、第二電解電容連接。
9.根據權利要求1所述的稱重儀表的模數轉換系統，其特徵在於，所述稱重傳感器與第六電容、第七電容、第八電容、第六電阻、第七電阻連接。
【文檔編號】H03M1/12GK204258783SQ201420773744
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月9日 優先權日:2014年12月9日
【發明者】張宏社 申請人:上海耀華稱重系統有限公司