1　皮帶秤稱重儀的整體設(shè)計(jì)
1. 1　稱重原理
一段時(shí)間 t 內(nèi)的總輸送量 W( t ) 是對(duì)瞬時(shí)流量q ( t ) 與帶速 v ( t ) 乘積的積分。其相互關(guān)系可用以下式子表示:
W( t )= 0t∫q ( t ) · v (t ) · d t
q ( t )= ( A D-A D 0 ) · C 0 · C 1
A D 為每次得到的 A D C 輸出數(shù)字量 , A D 0 為空載時(shí)的 A D C 輸出量, 即皮重 ; C 0 為量程系數(shù) , C 1 為用戶系數(shù)。
C 0 =G /( L · A D ′ )
C 0 是為不同的傳感器和秤架特定的系數(shù), G 表示傳感器滿程重量 ( k g ) , L 為重量感受長(zhǎng)度 ( m ) , A D ′ 這里取值 224 ( A D C 滿程輸出 ,其實(shí)這里應(yīng)該對(duì)應(yīng)傳感器滿程輸出的 A D 代碼 , 出于簡(jiǎn)化可將 224 代替 , 由此帶來的誤差可由 C 1 調(diào)整 ) , C 1 的作用是在調(diào)試階段對(duì)總輸出的微調(diào) ,以滿足稱重的精 確 。

2 A D模塊
2. 1A D 7799的特點(diǎn)
A D 7799是美國(guó)模擬器件公司 ( A D I ) 的一款新型、△ - ∑型 3通道 24位 A D C , 適用于高精度工業(yè)級(jí)轉(zhuǎn)換 。以 A D 7799為核心的 A /D 轉(zhuǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。

儀表的精度主要取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率, 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇對(duì)儀表性能至關(guān)重要 , A D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不僅決定采集電路所能轉(zhuǎn)換的模擬電壓動(dòng)態(tài)范圍 , 也在很大 程度上影響測(cè)試電路 的轉(zhuǎn)換精 度。A D 7799有效分辨率 23位, 峰- 峰分辨率 20. 5位 ( g a i n= 1,轉(zhuǎn)換率為 4. 17H z ) 。
轉(zhuǎn)換速率: 確定 A D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率時(shí), 應(yīng)該考慮系統(tǒng)的采樣速率, A D 7799可達(dá) 4. 17H z ～ 470H z 。
量程: 輸入信號(hào)最 小值有從零開始,也有從非零開始的。 A D 7799 絕 對(duì)輸入 電壓 ( G N D +100m V )～( A V D D - 100m V ) ( g a i n = 1,有輸入緩沖 ) 。
線性度 : A D C 實(shí)際轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最 大偏移 , AD7799非線性度為 ± 0. 0015%。

3 三運(yùn)放儀表放大器 ( I N- A MP )
儀表放大器是一種具有輸入差分信號(hào)放大而抑制共模信號(hào)干擾,同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗變換的放大器。

為三運(yùn)放儀表放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 。 A l 和A 2運(yùn)算放大器緩沖輸入電壓, 整個(gè)差分輸入電壓都呈現(xiàn)在電阻 R g 兩端,所以差分增益可以通過在 R g 兩端并聯(lián)電阻來調(diào)整 ,但不增加共模增益和誤差,即差分信號(hào)將按增益成比例增加, 而共模誤差則不然。電阻網(wǎng)絡(luò)集成在儀表放大器芯片內(nèi)部, 一旦這個(gè)減法器電路的增益用比率匹配的電阻器設(shè)定后 , 在改變?cè)鲆骐娮鑂 g 時(shí)不再對(duì)電阻匹配有任何要求 ,也不存在電阻匹配問題。 I N A 131就是一款這樣的儀表放大器。傳遞函數(shù)見以下公式, 不接外界增益電阻時(shí)放大倍數(shù)為100. 057。
Vo u t- V r e f = ( V i n + - V i n- ) ( 1+ 2R3 /R g ) ( R 1 /R 2 )
由于 I N A 131是雙電源放大器 , 當(dāng)接在單電源電路里,必須在 VR e f 端接適當(dāng)?shù)钠秒妷骸?( V i n+ - V in - )最 大為 20m V時(shí) , ( Vo u t -V r ef ) 為 2V , 可選擇 V R e f 為2. 5V , Vo u t 最 大為 4. 5V ,滿足 A D C 的輸入要求。同時(shí)將Vo u t 和 V r e f 分別連接到 A D C 的 I N+ 、I N- 端 ,形成全差分輸入 。
另外,在信號(hào)進(jìn)入儀表放大器之前, 簡(jiǎn)單的 R C 或L C 濾波是很有必要的。

4　抗干擾技術(shù)
實(shí)際應(yīng)用中 ,傳感器往往離測(cè)量?jī)x器有一定的距離 ,信號(hào)傳輸電纜的損耗電阻、漏電阻和分布電容將對(duì)電路的共模抑制性能產(chǎn)生影響。為了提高放大器對(duì)共模信號(hào)的抑制能力,應(yīng)設(shè)法消除損耗電阻 、 漏電阻及分布電容對(duì)共模信號(hào)的分壓作用。在儀表放大器的輸入端增加一個(gè)由運(yùn)放 A 4組成的跟隨器電路 ,直接接到電纜的屏蔽層 。
對(duì)于電路模擬部分的地線, 儀表放大器的地線和A D7799的地線要實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地 , 特別要防止走大電流的地線和 A D 7799的地線相互干擾。保證所有電流的返回路徑都盡可能地靠近它們到達(dá)目的地所走的路徑 。同時(shí)輸入端 A I N 、R E F I N 采用全差分模式, 避免直接接地 ,減少地線噪聲對(duì)信號(hào)的干擾 。
數(shù)字電源、模擬電源相互隔離, 避免相互交疊,并且都使用電容去耦 , 去耦電容盡可能靠近各芯片的電源管腳。 A D 7799的數(shù)字部分和模擬部分共用同一個(gè)地和電源 。數(shù)字電源和模擬電源單獨(dú)接到 5V 電源根部, 兩者之間可用磁珠、 電感 、 二極管隔開 ,
A D 7799模擬輸入端一般工作在緩沖模式以增加 A D 轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗 ,減小信號(hào)源內(nèi)阻對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響。 參考輸入端為非緩沖 , 產(chǎn)生一個(gè)高阻抗動(dòng)態(tài)負(fù)載, 連接在參考端上的電阻 / 電容會(huì)引起直流增益誤差, 此誤差的大小取決于參考信號(hào)源的輸出阻抗 。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論
5. 1　儀表放大器穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)
在一定的傳感器信號(hào)輸入下, 比較儀運(yùn)輸出與輸入的關(guān)系。電壓用 A g i l e n t 34401A 準(zhǔn) 6位半數(shù)字表測(cè)量 5次取平均,每隔 5m i n 做一次測(cè)量 ( 表 1) 。

儀表放大器的放大倍數(shù)相對(duì)穩(wěn)定 , I N A 131的理論放大倍數(shù)為 100. 057, 但實(shí)際上測(cè)得的放大倍數(shù)均和實(shí)際的有差別 ,不排除電壓表的輸入阻抗和接觸阻抗對(duì)小信號(hào)以及前置濾波電容的影響。
5. 2A D 性能線性度實(shí)驗(yàn)
生成的 10V 激勵(lì)電源對(duì)傳感器供電, AD 7799的基準(zhǔn)為 10V 反饋信號(hào)的 1/4即 2. 5V , 電橋的信號(hào)經(jīng)I N A 131放大后進(jìn)入 A D 7799。
A D 7799工作在單極性連續(xù)轉(zhuǎn)換模式 , 轉(zhuǎn)化速率4. 17H z , 內(nèi)部放大倍數(shù)設(shè)為 1。初始化時(shí)先作片內(nèi)零度校準(zhǔn) ,再作片內(nèi)滿度校準(zhǔn), 未作系統(tǒng)零度校準(zhǔn)、系統(tǒng)滿度校準(zhǔn)。
輸入電壓用 A g i l e n t 34401A 準(zhǔn) 6位半數(shù)字表測(cè)量10次 ,連續(xù)測(cè)量取平均值 , A D輸出數(shù)字量為 A D77991000次連續(xù)采樣輸出量之和( 表 2) 。

“相對(duì)電壓” = Ai - A 1 ( i = 2 ～ 7) ,同理, “相對(duì)數(shù)字量 ” = D i - D 1 ( i = 2 ～ 7) ?！鞍俜直?” = C i /C 7 ( i =1～6) , “百分比之差” = 百分比 1 - 百分比 2線性度實(shí)驗(yàn)在認(rèn)為輸入電壓相對(duì)穩(wěn)定的前提下當(dāng)“百分比之差”越小時(shí)說明數(shù)字量輸出的線性效果越好 。從表中數(shù)字看出 , A D 7799的線性效果是滿足使用要求的。
5. 3A D 性能重復(fù)性試驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)條件同 5. 2。重復(fù)性實(shí)驗(yàn)是衡量 A DC 輸出穩(wěn)定性的一種方法,這里重復(fù)性定義為 A D C 7799 1000次連續(xù)輸出的( 最 大值 - 最 小值 ) 除以平均值 ,該值越小說明最 大值和最 小值之間的差距越小 ,而且該值隨電壓變大而減小 。本稱重控制器的電路設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)的采集上是很穩(wěn)定的。