【文章內(nèi)容簡介】 DHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。DS 第三章 系統(tǒng)硬件電路設計 傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉(zhuǎn)換部分指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號部分。現(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會進入了信息時代，在信息時代人們的社會活動將主要依靠對信息資源的開發(fā)和獲取 、傳輸和處理，而傳感器處于自動檢測與控 制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測信息的窗口；傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，一切科學研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號。因此，傳感器的地位與作用特別重要。 稱重傳感器在電子秤中占有十分重要的位置，被喻為電子秤的心臟部件，它的性能好壞很大程度上決定了電子秤的精確度和穩(wěn)定性。通常稱重傳感器產(chǎn)生的誤差約占電子秤整機誤差的 50%~70%。若在環(huán)境惡劣的條件下（如高低溫、濕熱），傳感器所占的誤差比例就更大，因此，在人們設計電子秤時，正確地選用稱重傳感器非常重要。 稱重傳感器的種類很多 ，根據(jù)工作原理來分常用的有以下幾種： 電阻應變式、電容式、壓電式等。 一 壓電傳感器 壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，又稱自發(fā)電式傳感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應的特定表面產(chǎn)生電荷的壓電效應。 壓電傳感器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，適用于動態(tài)力學量的測量，不適合測頻率太低的被測量，更不能測靜態(tài)量。目前多用于加速度和動態(tài)力或壓力的測量。壓電器件的弱點：高內(nèi)阻、小功率。功率小，輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾影響輸出特性，這對外接電路要求很高。 二 電容式傳感器 電容式傳感器是 將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容變化的一種傳感器。它有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應好、可實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應等優(yōu)點。電容傳感器可用來檢測壓力、力、位移以及振動學非電參量。 電容傳感器的基本工作原理可用最普通的平行極板電容器來說明。兩塊相互平行的金屬極板，當不考慮其邊緣效應（兩個極板邊緣處的電力線分布不均勻引起電容量的變化）時，其電容量為 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。DS dAC or??? （ ） 式（ ）中 d —— 兩極板間的距離； A—— 兩平行極板相互覆蓋的有效面積； r? —— 介質(zhì)的相對介電常數(shù)； o? —— 真空中介電常數(shù)。 若被測量的變化使式中 d 、 A、 r? 三個參量中任一個發(fā)生變化，都會引起電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出 [4]。 雖然電容式傳感器有結(jié)構(gòu)簡單和良好動態(tài)特性等諸多優(yōu)點，但也有不利因素： （ 1）小功率、 高阻抗。受幾何尺寸限制，電容傳感器的電容量都很小，一般僅幾皮法至幾十皮法。因 C 太小，故容抗 CX =1/? C 很大，為高阻抗元件，負載能力差；又因其視在功率 P= 2ou ? C ， C很小，則 P 也很小。故易受外界干擾，信號需經(jīng)放大，并采取抗干擾措施。 （ 2）初始電容小，電纜電容、線路的雜散電路所構(gòu)成的寄生電容影響很大。 三 電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器是 一種利用電阻應變效應，將各種力學量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應變片式電阻應變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應變效應，電阻應變片即可單獨作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學量傳感器。 導體的電阻隨著機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應變效應。電阻應變片把機械應變信號轉(zhuǎn)換為△ R/R 后，由于應變量及相應電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便處理。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應變片的△ R/R 變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋。 直流電橋的特點是信號不會受各元件和導 線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強，但因機械應變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。 下圖為一直流供電的平衡電阻電橋， inE 接直流電源 E： DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。DS )( 43 421 1 RR RRR RE ????))(( 4321 4231 RRRR RRRRE ?? ??? ?? ?? ?)()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRRuo ?????????? ??????ERR??? 圖 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 當電橋輸出端接無窮大負載電阻時，可視輸出端為開路，此時直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。 當忽略電源的內(nèi)阻時，由分壓原理有： ADABBDo uuuu ??? = （ ） 當滿足條件 R1R3=R2R4時，即 3421 RRRR ? （ ） ou =0，即電橋平衡。式（ ）稱平衡條件。 應變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時電橋輸出電壓只與應變片感受的應變所引起的電阻變化有關(guān)。 若差動 工作，即 R1=R△ R,R2=R+△ R,R3=R△ R， R4=R+△ R,按式（ ），則電橋輸出為 Ek?? () 應變片式傳感器有如下特點： （ 1）應用和測量范圍廣，應變片可制成各種機械量傳感器。 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。DS （ 2）分辨力和靈敏度高，精度較高。 （ 3）結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小， 對復雜環(huán)境適應性強，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應好。 （ 4）商品化 ，使用方便，便于實現(xiàn)遠距離、自動化測量。 通過以上對傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案。題目要求稱重范圍 0～ ,分辨率為 1g，考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重損壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重 。我們選擇的是電阻應變片壓力傳感器，量程為 5Kg，精度為% ，滿足本系統(tǒng)的精度要求。 經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號一般電平較低；經(jīng)由電橋等電路變換后的信號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進行信號轉(zhuǎn)換。為此，測量電路中常設有模擬放大環(huán) 節(jié)。這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運算放大器的基本元件構(gòu)成具有各種特性的放大器來完成。 放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號不僅電平低，內(nèi)阻高，還常伴有較高的共模電壓。因此，一般對放大器有如下一些要求： 輸入阻抗應遠大于信號源內(nèi)阻。否則，放大器的負載效應會使所測電壓造成偏差。 抗共模電壓干擾能力強。 在預定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。 能附加一些適應特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調(diào)整、方 便準確的量程切換、極性自動變換等。 綜合以上要求，我們采用了最為簡單的反相比例運算電路來實現(xiàn)放大的功能。 反相比例運算電路 （ 1）電路的組成 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。DS 圖 反相比例電路 反向比例運算電路的組成如圖 所示。由圖可見，輸入電壓 ui通過電阻 R1加在運放的反向輸入端。 Rf是溝通輸出和輸入的通道，是電路的反饋網(wǎng)絡。 同向輸入端所接的電阻 RP為電路的平衡電阻，該電阻等于從運放的同向輸入端往外看除源以后的等效電阻，為了保證運放電路工作在平衡的狀態(tài)下， 同相輸入端的電阻應該取 RP =R1//Rf （ 2）電 壓放大倍數(shù) 圖 反相比例運算電路 理想運算放大器組成的反相比例運算電路見圖 ，顯然是一個電壓并聯(lián)負反饋電路。 在輸入信號作用下，輸入端有電流 iI、 i′ I 、 if 。 根據(jù)虛斷的特性有 i39。I ?0 （ ） 于是 iI ? if （ ） 根據(jù)虛短的特性，有 u+ ? u （ ） DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。DS 所以 （ ） 放大倍數(shù) Au 為 （ ） （ 3）反向比例運算電路的輸入電阻 （ ） 為了保證運放電路工作在平衡的狀態(tài)下， 同相輸入端的電阻應該取 RP =R1//Rf （ 4）由于反向比例運算電路具有虛地的特點。所以共模輸入電壓為 （ ） 反相比例運算電路由于具有“虛地”的特點，運放的同相輸入端和反相輸入端均為 0 電位，所以反相比例運算電路的 共模輸入電壓等于 0。 前級放大電路 圖 放大電路圖 1fiou RRuuA ???fo1I RuRu ??1IIIIi 0 RiuiuR ????DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。DS A/D 轉(zhuǎn)換器 方案比較 A/D 轉(zhuǎn)換部分是整個設計的關(guān)鍵，這一部分處理不好，會使得整個設計毫無意義。 目前，世界上有多種類型的 ADC，有傳統(tǒng)的并行、逐次逼近型、積分型 ADC，也有近年來新發(fā)展起來的 ∑ Δ 型和流水線型 ADC， 多種類型的 ADC 各有其優(yōu)缺點并能滿足不同的具體應用要求。目前， ADC集成電路主要有以下幾種類型 ： （ 1） 并行比較 A/D 轉(zhuǎn)換器： 如 ADC080 ADC0809等 。 并行比較 ADC 是現(xiàn)今速度最快的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率在 1GSPS 以上，通常稱為 “ 閃爍式 ” ADC。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器及編碼器四種分組成。這種結(jié)構(gòu)的 ADC 所有位的轉(zhuǎn)換同時完成，其轉(zhuǎn)換時間主取決于比較器的開關(guān)速度、編碼器的傳輸時間延遲等。 (2） 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器：如： ADS780 ADS7804 等。 逐次逼近型 ADC 是應用非常廣泛的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換方法，這一類型 ADC的優(yōu)點：高速，采樣速率可達 1MSPS；與其它 ADC 相比，功耗相當?shù)?；在分辨率低?12 位時，價格較低。缺點：在高于 14 位分辨率情況下，價格較高；傳感器產(chǎn)生的信號在進行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要進行 調(diào)理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。 (3） 積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器：如： ICL713 ICL710 ICL154 MC14433 等。 積分型 ADC 又稱為雙斜率或多斜率 ADC， 是應用比較廣泛的一類轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時，在此時間間隔內(nèi)利用計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)，從而實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換。積分 型 ADC 兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發(fā)生器和計數(shù)器來確定，因此所得到的表達式與時鐘頻率無關(guān)，其轉(zhuǎn)換精度只取決于參考電壓 VR。 此外，由于輸入端采用 了積分器，所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。若把積分器定時積分的時間取為工頻信號的整數(shù)倍，可把由工頻噪聲引起的誤差減小到最小，從而有效地抑制電網(wǎng)的工頻干擾。這類 ADC 主要應用于低速、精密測量等領域，如數(shù)字電壓表。其優(yōu)點是：分辨率高，可達 22 位；功耗低、成本低。缺點是：轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換速率在 12位時為 100～ 300SPS。 (4)壓頻變換型 ADC： 其優(yōu)點是：精度高、價格較低、功耗較低。缺點是：類似于積分型ADC，其轉(zhuǎn)換速率受到限制， 12位時為 100～ 300SPS。 考慮到本系 統(tǒng)中對物體重量的測量和使用的場合，精度要求不是很苛刻，轉(zhuǎn)換速率要求也不高。因此首先考慮常用的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809，由于本設計只需采集儀一路數(shù)據(jù)，DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF