Особливості проектування високоякісних ваговимірювальних систем

У статті розглянуті особливості проєктування ваговимірювальних систем.

К. Слаттері, М. Най

Основні тенденції розвитку ваговимірювальних систем

Основними тенденціями розвитку сучасних ваговимірювальних систем є підвищення точності та зниження вартості. На перший погляд, сучасні ваговимірювальні системи, що мають роздільну здатність 1:3000 або навіть 1:10 000, можуть бути побудовані на основі 12- або 14-розрядних АЦП. Однак, насправді, для забезпечення високої якості таких систем доводиться використовувати АЦП із роздільною здатністю до 20 двійкових розрядів. У статті аналізуються вимоги до таких систем і розглядаються особливості їх побудови. Насамперед це стосується рівня шумів, динамічного діапазону АЦП, дрейфу коефіцієнта підсилення підсилювача у вимірювальному тракті. Аналіз заснований на порівняльній оцінці результатів вимірювання в реальній ваговимірювальній системі та в оціночній платі, вхідним сигналом для якої є напруга високостабільного опорного джерела.

Мостові датчики у ваговимірювальних системах

У більшості ваговимірювальних систем використовуються датчики мостового типу з виходом за напругою. Типова функціональна схема такого датчика наведена на рис. 1.

Чутливість датчика визначається як відношення вихідної напруги до напруги збудження мостової схеми і становить, як правило, 2 мВ/В, тобто максимальна вихідна напруга становить 10 мВ, якщо напруга збудження дорівнює 5 В. Якщо датчик використовується лише в лінійній області, діапазон вихідної напруги становить не більше 6 мВ. Якщо максимальний діапазон вихідного сигналу датчика в умовах промислових завад не перевищує 6 мВ, забезпечити високу точність вимірювання досить складно. Типова сумарна похибка сучасних ваговимірювальних систем не перевищує 0.02%. Відзначимо, що мостовий датчик має часовий дрейф. Типова характеристика цього дрейфу наведена на рис. 2, причому знімання характеристики здійснювалося при постійній температурі навколишнього середовища.

Роздільна здатність ваговимірювальних систем

Розглянемо докладніше основні технічні характеристики ваговимірювальних систем. Функціональна схема типової системи наведена на рис. 3. Внутрішня роздільна здатність таких систем може знаходитися в межах від 1:3000 до 1:10 000. Це означає, наприклад, що вага 5 кг вимірюється з точністю 0.5 г при роздільній здатності 1:10 000. Роздільна здатність системи, яка відображається на РК-дисплеї, отримала назву зовнішня роздільна здатність. Для того, щоб забезпечити необхідну зовнішню роздільну здатність, внутрішня повинна бути не менш ніж у 10–20 разів більшою, тобто для наведеного вище прикладу внутрішня роздільна здатність повинна становити не менше 1:200 000.

Якщо у ваговимірювальних системах використовується стандартний АЦП, динамічний діапазон якого визначається напругою опорного джерела і становить, як правило, 2.5 В, то використання вхідного вимірювального підсилювача з коефіцієнтом підсилення 128 при вихідному діапазоні датчика 6 мВ дозволяє використовувати динамічний діапазон цього АЦП не більше ніж на 30%. З іншого боку, якщо внутрішня роздільна здатність системи для вимірювання напруги в діапазоні 768 мВ повинна становити 1:200 000, то роздільна здатність АЦП повинна бути ще у три-чотири рази кращою, тобто роздільна здатність АЦП наближається до 1:800 000, що становить 19…20 двійкових розрядів.

Температурний дрейф та сигма-дельта АЦП

Ваговимірювальні системи працюють у діапазоні температур від 0 до 50 °С. Це означає, що якщо у ваговимірювальній системі температурний дрейф 20-розрядного АЦП становить 1 ppm/°C, то температурна похибка при температурі 50 °С становитиме 50 ЕМР. Отже, у таких системах доцільно використовувати більш стабільні перетворювачі. Більшість сучасних сигма-дельта АЦП мають на вході схему переривання, що забезпечує мінімальний температурний дрейф і (1/f)-шум. Так, наприклад, перетворювач AD7799 має дрейф 10 нВ/°С, що забезпечує похибку 1/4 ЕМР у діапазоні робочих температур.

Для характеристики АЦП у складі ваговимірювальних систем часто використовують еквівалентну або ефективну роздільну здатність. У першому випадку враховується повний розмах шуму (від піка до піка), у другому — середньоквадратичне значення шуму. Слід зазначити, що ефективна роздільна здатність більша за еквівалентну для одного й того ж АЦП, тому розробникам необхідно уважно аналізувати технічний опис, у якому, як правило, наводиться один із цих параметрів.

Переваги сигма-дельта АЦП

Найкращими перетворювачами для застосування у ваговимірювальних системах завдяки високій лінійності, низькому рівню шумів і невеликій частоті вибірки є сигма-дельта АЦП. У складі таких АЦП є PGA-підсилювачі для підсилення сигналів низького рівня. Сигма-дельта АЦП AD7799 виробництва компанії Analog Devices при напрузі опорного джерела 2.5 В, коефіцієнті підсилення PGA-підсилювача 128 і частоті вибірки 4.17 Гц має роздільну здатність 20.5 біт. Якщо в цьому АЦП підвищити частоту вибірки до 500 Гц, його роздільна здатність зменшиться до 16.5 біт. Тому при розробці ваговимірювальних систем потрібно правильно задавати параметри використовуваного в системі АЦП. Як правило, частота вибірки сигма-дельта АЦП ваговимірювальних систем не перевищує 10 Гц. Перетворювач АЦП AD7799, спеціально розроблений для ваговимірювальних систем, має мінімальну спектральну щільність шуму 27 нВ/√Гц, максимальний коефіцієнт підсилення PGA-підсилювача у складі цього АЦП дорівнює 128. Датчик мостового типу може бути підключений безпосередньо до входу AD7799 без попереднього підсилення вхідного сигналу.

Оціночна плата Analog Devices

На рис. 4 наведена функціональна схема оціночної плати розробки компанії Analog Devices, призначеної для проєктування ваговимірювальних систем. Як АЦП у даній платі використаний AD7799, керований мікроконвертером ADuC847. Враховуючи те, що у складі ADuC847 є власний 24-розрядний сигма-дельта АЦП, розробник може проаналізувати два варіанти ваговимірювальної системи на основі оціночної плати та вибрати для серійного застосування найкращий.

На рис. 5 і 6 наведені результати тестування АЦП AD7799 для двох випадків. У першому (рис. 5) вхід 24-розрядного АЦП підключений до опорного джерела, у другому (рис. 6) — до виходу мостового датчика. У першому випадку еквівалентна роздільна здатність АЦП становила 19.576 біт, у другому еквівалентна роздільна здатність погіршилася лише на 0.2 біта і становила 19.399 біт. Це означає, що основний шум у результат перетворення вносить не датчик, а власне АЦП.

Усереднення результатів перетворення

Зменшити рівень шуму на виході АЦП можна усередненням відліків. Програма усереднення результатів перетворення може бути записана в пам’ять мікроконвертера ADuC847 (див. рис. 4). На рис. 7 наведена типова гістограма розподілу відліків сигма-дельта АЦП при заземленому вході. В ідеальному випадку всі відліки були б однаковими. Однак шум АЦП призводить до розподілу відліків на виході АЦП за нормальним законом. Сумарний шум АЦП включає шум квантування і тепловий шум вузлів перетворювача.

На рис. 8 наведена блок-схема алгоритму усереднення відліків АЦП. Алгоритм дозволяє виділити мінімальне і максимальне значення вихідного коду з М відліків і середнє значення з цієї вибірки. На рис. 9 наведена гістограма розподілу відліків при підключенні до входу АЦП AD7799 мостового датчика.

Порівнюючи результати тестування АЦП AD7799 без усереднення відліків (рис. 6) і з усередненням (рис. 9), бачимо, що роздільна здатність в останньому випадку збільшилася на 2.5 біта і становила 21.9 біта. Недоліком усереднення є збільшення тривалості вимірювання.

Порівняння AD7799 та ADuC847

Результати порівняльного тестування сигма-дельта АЦП AD7799 і сигма-дельта АЦП у складі мікроконвертера ADuC847 наведені на гістограмах рис. 5 і 10 відповідно. Умови тестування практично однакові. Як випливає з результатів тестування, шум АЦП AD7799 у багато разів менший за шум АЦП у складі мікроконвертера ADuC847.

Для покращення передавальної характеристики вимірювального каналу ваговимірювальної системи застосовують логометричне включення мостового датчика. У цьому випадку використовується одне й те ж опорне джерело як для АЦП, так і для мостового датчика (див. рис. 3). Точність вихідної напруги мостового датчика визначається похибкою його джерела збудження, а точність АЦП — похибкою опорного джерела. Якщо використовується одне й те ж опорне джерело для датчика і АЦП, то точність вимірювального каналу інваріантна до похибки цього джерела.

Рекомендації щодо розведення друкованої плати

Для прецизійних ваговимірювальних систем із низьким рівнем вхідного сигналу важлива якість розведення друкованої плати. Насамперед необхідно звернути увагу на розведення земляної шини і розв’язку ланцюгів живлення. Аналогова і цифрова земляні ланцюги розводяться окремими шинами. Земляний вивід АЦП AD7799 GND слід підключати до шини аналогової землі. Між виводами AVDD (напруга живлення аналогових ланцюгів) і DVDD (напруга живлення цифрових ланцюгів) слід увімкнути дросель, якщо використовується спільне джерело живлення. Для розв’язки ланцюгів живлення використовуються конденсатори ємністю 0.1 і 10 мкФ (електролітичний), причому розташовувати їх слід у безпосередній близькості від корпусу ІМС АЦП.

Висновки

1. У вимірювальних каналах високоякісних ваговимірювальних систем слід використовувати сигма-дельта АЦП. У цьому випадку мостовий датчик може бути підключений безпосередньо до входу АЦП.
2. Для зменшення впливу похибки опорного джерела слід застосовувати логометричне включення мостового датчика у вимірювальний канал ваговимірювальної системи.
3. Для зниження рівня шумів АЦП може бути використане усереднення результатів перетворення на його виході.
4. Якщо точність ваговимірювальних систем не повинна перевищувати 14–15 двійкових розрядів, доцільно використовувати у вимірювальному каналі мікроконвертери типу ADuC847 із вбудованим сигма-дельта АЦП. У цьому випадку і перетворення, і усереднення результатів перетворення виконуються однією ІМС.
5. Для забезпечення високої якості ваговимірювальних систем необхідно розведення друкованої плати виконувати з урахуванням рекомендацій фірми-виробника АЦП.