В статье рассмотрены особенности построения прецизионной весоизмерительной системы, выполненной на основе 24-разрядного сигма-дельта АЦП.
Прецизионные весоизмерительные системы могут быть построены на основе 24-разряд-ного сигма-дельта АЦП AD7190, отличающегося малым дрейфом и сверхнизким уровнем собственных шумов. АЦП содержит встроенный PGA-усилитель и обеспечивает высокие технические характеристики при частоте преобразования от 4.7 Гц до 4.8 кГц.
Благодаря высокой чувствительности АЦП AD7190 может быть подключен непосредственно к динамометрическому датчику (рис. 1).
Рис. 1. Функциональная схема весоизмерительной системы
Поэтому внешними компонентами измерительного канала являются только фильтры ослабления электромагнитных помех. Сигнал низкого уровня с выхода датчика поступает на встроенный PGA-усилитель с максимальным коэффициентом усиления 128. Результаты преобразования в виде цифровых кодов поступают на вход микроконтроллера, который преобразует эти коды в вес объекта и передает это значение для отображения на ЖК-дисплее.
Рис. 2. Весоизмерительная система
Демонстрационная весоизмерительная система на основе АЦП AD7190 показана на рис. 2. Для съема информации с мостового динамометрического датчика (мост Уитстона) используется шестипроводная линия связи. Учитывая то, что вход АЦП дифференциальный, для питания мостовой схемы используется дифференциальный опорный сигнал, формируемый этим же преобразователем, что соответствует логометрической конфигурации измерительного канала. Преимущество такого подключения датчика заключается в ослаблении низкочастотных помех на входе АЦП и погрешности преобразования, вызванной нестабильностью источника питания. Кроме того, при таком включении могут быть снижены требования к временной и температурной стабильности опорного источника.
АЦП AD7190 имеет раздельные шины питания для аналоговых и цифровых узлов. Напряжение питания аналоговых узлов 5 В, цифровых – от 2.7 до 5.25 В.
На рис. 3 показана зависимость среднеквадратичного значения шума АЦП от частоты преобразования при коэффициенте усиления PGA-усилителя, равном 128. Как следует из рис. 3, чем выше частота преобразования, тем больше уровень шума АЦП. Если использовать динамометрический датчик с максимальной шкалой 2 кГ и чувствительностью 2 мВ/В, максимальный размах выходного сигнала датчика составляет 10 мВ при напряжении возбуждения 5 В. Как правило, динамометрические датчики имеют смещение выходной шкалы на 50%. Некоторые пользователи используют внешний ЦАП для компенсации этого смещения.
На частоте преобразования 4.7 Гц среднеквадратичный уровень шума AD7190 составляет 8.5 нВ, что обеспечивает число достоверных десятичных градаций, равное
—10 мВ/6.6×8.5 нВ =178 250, (1)
где 6.6 – коэффициент преобразования среднеквадратичного уровня шума в амплитудное значение.
Из (1) можно легко вычислить разрешение весоизмерительной системы (см. рис. 1), которое равно
2кГ/ 178 250 ≈0.01 Г, (2)
при этом число достоверных двоичных разрядов АЦП можно определить из выражения
На практике динамометрический датчик сам является источником некоторого шума. Кроме того, он подвержен временному и температурному дрейфу. Для определения погрешности системы в целом ее необходимо подключить к ПК и, используя программный пакет LabView, оценить ее погрешность при разных внешних параметрах. На рис. 4, а такая оценка выполнена для веса 1 кГ при количестве выборок, равном 500. Среднеквадратичный уровень шума в этом случае составляет 12 нВ. Полный размах шума 88 нВ, число достоверных десятичных градаций 113 600 и число достоверных двоичных разрядов 16.8 бит.
Рис. 4. Зависимость погрешности весоизмерительной системы, выраженной в кодах (а) и в граммах (б), от количества выборок
На рис. 4, б аналогичная оценка погрешности выполнена не в кодах, а в абсолютных единицах, т.е. в граммах, причем максимальная погрешность измерения веса 1 кГ составляет не более 0.02 Г при числе выборок, равном 500.
Дальнейшее повышение точности измерения может быть достигнуто за счет использования цифрового фильтра на выходе АЦП и уменьшения частоты преобразования.
ВЫВОДЫ
1. В прецизионных весоизмерительных системах целесообразно использовать сигма-дельта АЦП, которые можно непосредственно подключать к динамометрическим датчикам, даже имеющим на выходе сигнал низкого уровня.
2. Изменяя частоту преобразования и используя усреднение результатов преобразования АЦП по большому числу выборок, можно довести точность измерения веса до 18 двоичных разрядов.
Лайкнути
Твітнути