Особенности проектирования высококачественных весоизмерительных систем

В статье рассмотрены осо­бенности проектирова­ния весоизмерительных сис­тем.

К. Слаттери, М. Най

Основными тенденциями развития современных весоизмерительных систем являются повышение точности и снижение стоимости. На первый взгляд, современные весоизмерительные системы, имею­щие разрешение 1:3000 или даже 1:10 000, могут быть построены на основе 12- или 14 разрядных АЦП. Однако, на самом деле, для обеспечения высокого качества таких систем приходится использовать АЦП с разрешением до 20 двоичных разрядов. В статье анализируются требования к таким системам и рас­сматриваются особенности их построения. Прежде всего, это относится к уровню шумов, динамическому диапазону АЦП, дрейфу коэффициента усиления уси­лителя в измерительном тракте. Анализ основан на сравнительной оценке результатов измерения в ре­альной весоизмерительной системе и в оценочной плате, входным сигналом для которой является на­пряжение высокостабильного опорного источника.

В большинстве весоизмерительных систем ис­пользуются датчики мостового типа с выходом по напряжению. Типовая функциональная схема такого датчика приведена на рис. 1.

Рис. 1. Типовая функциональная схема датчика мостового типа

Чувствительность датчика определяется как отно­шение выходного напряжения к напряжению возбуж­дения мостовой схемы и составляет, как правило, 2 мВ/В, т.е. максимальное выходное напряжение составляет 10 мВ, если напряжение возбуждения равно 5 В. Если датчик используется только в линей­ной области, диапазон выходного напряжения сос­тавляет не более 6 мВ. Если максимальный диапазон выходного сигнала датчика в условиях промышлен­ных помех не превышает 6 мВ, обеспечить высокую точность измерения достаточно сложно. Типовая суммарная погрешность современных весоизмери­тельных систем не превышает 0.02%. Отметим, что мостовой датчик имеет временной дрейф. Типовая характеристика этого дрейфа приведена на рис. 2,

Рис. 2. Временной дрейф мостового датчика

причем съем характеристики осуществлялся при постоянной температуре окружающей среды. Рас­смотрим подробнее основные технические характе­ристики весоизмерительных систем. Функциональ­ная схема типовой системы приведена на рис. 3. Внутреннее разрешение таких систем может нахо­диться в пределах от 1:3000 до 1:10 000. Это значит, например, что вес 5 кГ измеряется с точностью 0.5 Г при разрешении 1:10 000. Разрешение системы, ко­торое отображается на ЖК-дисплее, получило назва­ние внешнее разрешение. Для того, чтобы обеспечить требуемое внешнее разрешение, внутреннее должно быть не менее чем в 10-20 раз больше, т.е. для приведенного выше примера внутреннее разре­шение должно составлять не менее 1:200 000.

Если в весоизмерительных системах используется стандартный АЦП, динамический диапазон которого определяется напряжением опорного источника и составляет, как правило, 2.5 В, то использование входного измерительного усилителя с коэффициен­том усиления 128 при выходном диапазоне датчика 6 мВ позволяет использовать динамический диапа­зон этого АЦП не более чем на 30%. С другой сторо­ны, если внутреннее разрешение системы для изме­рения напряжения в диапазоне 768 мВ должно сос­тавлять 1:200 000, то разрешение АЦП должно быть еще в три-четыре раза лучше, т.е. разрешение АЦП приближается к 1:800 000, что составляет 19…20 дво­ичных разрядов.

Рис. 3. Функциональная схема типовой весоизмерительной системы

Весоизмерительные системы работают в диапа­зоне температур от 0 до 50 °С. Это значит, что если в весоизмерительной системе температурный дрейф 20-разрядного АЦП составляет 1 ppm/°C, то темпера­турная погрешность при температуре 50 °С составит 50 ЕМР. Следовательно, в таких системах целесооб­разно использовать более стабильные преобразова­тели. Большинство современных сигма-дельта АЦП имеют на входе схему прерывания, обеспечивающую минимальный температурный дрейф и (1/f)-шум. Так, например, преобразователь AD7799 имеет дрейф 10 нВ/°С, что обеспечивает погрешность ¹/₄ ЕМР в диапазоне рабочих температур.

Для характеристики АЦП в составе весоизмери­тельных систем часто используют эквивалентное или эффективное разрешение. В первом случае учитыва­ется полный размах шума (от пика к пику), во вто­ром – среднеквадратичное значение шума. Следует отметить, что эффективное разрешение больше эк­вивалентного для одного и того же АЦП, поэтому раз­работчикам необходимо внимательно анализировать техническое описание, в котором, как правило, при­водится один из этих параметров.

Лучшими преобразователями для применения в весоизмерительных системах благодаря высокой ли­нейности, низкому уровню шумов и небольшой частоте выборки являются сигма-дельта АЦП. В составе та­ких АЦП имеются PGA-усилители для усиления сигна­лов низкого уровня. Сигма-дельта АЦП AD7799 произ­водства компании Analog Devices при напряжении опорного источника 2.5 В, коэффициенте усиления PGA-усилителя 128 и частоте выборки 4.17 Гц имеет разрешение 20.5 бит. Если в этом АЦП повысить час­тоту выборки до 500 Гц, его разрешение уменьшится до 16.5 бит. Поэтому при разработке весоизмери­тельных систем нужно правильно задавать парамет­ры используемого в системе АЦП. Как правило, час­тота выборки сигма-дельта АЦП весоизмерительных систем не превышает 10 Гц. Преобразователь АЦП AD7799, специально разработанный для весоизмери­тельных систем, имеет минимальную спектральную плотность шума 27 нВ/лГц, максимальный коэффици­ент усиления PGA-усилителя в составе этого АЦП ра­вен 128. Датчик мостового типа может быть подклю­чен непосредственно ко входу AD7799 без предвари­тельного усиления входного сигнала.

На рис. 4 приведена функциональная схема оце­ночной платы разработки компании Analog Devices, предназначенной для проектирования весоизмери­тельных систем. В качестве АЦП в данной плате ис­пользован AD7799, управляемый микроконвертером ADuC847. Учитывая то, что в составе ADuC847 имеет­ся свой 24-разрядный сигма-дельта АЦП, разработ­чик может проанализировать два варианта весоизме­рительной системы на основе оценочной платы и выбрать для серийного применения наилучший.

Рис. 4. Функциональная схема оценочной платы для проектирования весоизмерительных систем

На рис. 5 и 6 приведены результаты тестирования АЦП AD7799 для двух случаев. В первом (рис. 5) вход 24-разрядного АЦП подключен к опорному источнику, во втором (рис. 6) – к выходу мостового датчика. В первом случае эквивалентное разрешение АЦП составило 19.576 бит, во втором эквивалентное раз­решение ухудшилось всего на 0.2 бита и составило 19.399 бит. Это значит, что основной шум в результат преобразования вносит не датчик, а собственно АЦП.

Рис. 5. Шум на выходе АЦП AD7799 при подключении на вход опорного источника: коэффициент усиления 64, частота выборки 4.17 Гц, напряжение опорного источника 5 В, среднеквадратичный уровень шумов 3.2526 ЕМР, эквивалентное разрешение 19.576 бит

Рис. 6. Шум на выходе АЦП AD7799 при подключении на вход мостового датчика: коэффициент усиления 64, частота выборки 4.17 Гц, напряжение опорного источника 5 В, среднеквадратичный уровень шумов 3.6782 ЕМР, эквивалентное разрешение 19.399 бит

Уменьшить уровень шума на выходе АЦП можно усреднением отсчетов. Программа усреднения ре­зультатов преобразования может быть записана в па­мять микроконвертера ADuC847 (см. рис. 4). На рис. 7 приведена типовая гистограмма распределения от­счетов сигма-дельта АЦП при заземленном входе. В идеальном случае все отсчеты были бы одинаковы. Однако шум АЦП приводит к распределению отсчетов на выходе АЦП по нормальному закону. Суммарный шум АЦП включает шум квантования и тепловой шум узлов преобразователя.

На рис. 8 приведена блок-схема алгоритма усред­нения отсчетов АЦП. Алгоритм позволяет выделить минимальное и максимальное значения выходного кода из М отсчетов и среднее значение из этой выборки. На рис. 9 приведена гистограмма распределе­ния отсчетов при подключении ко входу АЦП AD7799 мостового датчика.

Сравнивая результаты тестирования АЦП AD7799 без усреднения отсчетов (рис. 6) и с усреднением (рис. 9), видим, что разрешение в последнем случае увеличилось на 2.5 бита и составило 21.9 бита. Недо­статком усреднения является увеличение длитель­ности измерения.

Рис. 7. Гистограмма распределения отсчетов АЦП

Рис. 8. Блок-схема алгоритма усреднения

Результаты сравнительного тестирования сигма- дельта АЦП AD7799 и сигма-дельта АЦП в составе микроконвертера ADuC847 приведены на гистограм­мах рис. 5 и 10 соответственно. Условия тестирования практически одинаковы. Как следует из результатов тестирования, шум АЦП AD7799 во много раз меньше шума АЦП в составе микроконвертера ADuC847.

Для улучшения передаточной характеристики из­мерительного канала весоизмерительной системы применяют логометрическое включение мостового датчика. В этом случае используется один и тот же опорный источник как для АЦП, так и для мостового датчика (см. рис. 3). Точность выходного напряжения мостового датчика определяется погрешностью его источника возбуждения, а точность АЦП – погреш­ностью опорного источника. Если используется один и тот же опорный источник для датчика и АЦП, то точ­ность измерительного канала инвариантна к погреш­ности этого источника.

Рис. 9. Шум на выходе АЦП AD7799 после усреднения отсчетов: коэффициент усиления 64, частота выборки 4.17 Гц, напряжение опорного источника 5 В, среднеквадратичный уровень шумов 0.611 ЕМР, эквивалентное разрешение 21.9 бит

Рис. 10. Шум на выходе АЦП в составе ADuC847 при подключении на вход опорного источника: коэффициент усиления 64, частота выборки 5.35 Гц, напряжение опорного источника 2.5 В, среднеквадратичный уровень шумов 74.65 ЕМР, эквивалентное разрешение 15 бит

Для прецизионных весоизмерительных систем с низким уровнем входного сигнала важно качество разводки печатной платы. В первую очередь необхо­димо обратить внимание на разводку земляной шины и развязку цепей питания. Аналоговая и цифровая земляные цепи разводятся отдельными шинами. Земляной вывод АЦП AD7799 GND следует подклю­чать к шине аналоговой земли. Между выводами AVDD (напряжение питания аналоговых цепей) и DVDD (напряжение питания цифровых цепей) следует включить дроссель, если используется общий источ­ник питания. Для развязки цепей питания использу­ются конденсаторы емкостью 0.1 и 10 мкФ (электро­лит), причем располагать их следует в непосред­ственной близости от корпуса ИМС АЦП.

Выводы

1. В измерительных каналах высококачественных весоизмерительных систем следует использовать сигма-дельта АЦП. В этом случае мостовой датчик может быть подключен непосредственно ко входу АЦП.
2. Для уменьшения влияния погрешности опорно­го источника следует применять логометрическое включение мостового датчика в измерительный канал весоизмерительной системы.
3. Для снижения уровня шумов АЦП может быть использовано усреднение результатов преобразова­ния на его выходе.
4. Если точность весоизмерительных систем не должна превышать 14-15 двоичных разрядов, целесо­образно использовать в измерительном канале микро­конвертеры типа ADuC847 со встроенным сигма-дельта АЦП. В этом случае и преобразование, и усреднение результатов преобразования выполняются одной ИМС.
5. Для обеспечения высокого качества весоизме­рительных систем необходимо разводку печатной платы выполнять с учетом рекомендаций фирмы-про­изводителя АЦП.