一种实时动态重量信号处理电路模块的制作方法

本发明涉及一种信号处理电路模块，特别涉及了应用于工业现场的一种实时动态重量信号处理电路模块。

背景技术：

动态重量测试技术被广泛应用于工业现场产品检测和分选环节中。通常重量传感器被安装在传送带的某个固定位置，当被测物经过该位置时，传感器输出重量信号。在动态传送带系统中，当产品到达重量传感器时，由于要求产品动态重量计量的速度较快，产品重量加载在传感器上的时间很短(在几百毫秒以内)。另外由于传送带运行过程中的机械振动、产品翻滚振动等干扰因素的影响，真实的产品重量会被淹没在各种干扰载荷之中，给动态重量实现高精度测量造成很大困难。因此在外界随机干扰作用下，如何排除干扰载荷，准确测量被测物真实重量，是动态重量测试系统的技术难点和关键所在。

目前，工业现场动态实时重量信号调理主要利用工业通用的电压信号调理电路来实现信号放大、滤波以及压流转换等功能。但是由于动态重量信号有保持时间短变化快的特点，在加上动态重量设备和重量对象的差异，现有的信号处理电路模块难以满足动态重量设备重量信号响应快，工况差异大的需求，无法实现高精度的动态重量。

随着产品市场和工业现场的需求发展，迫切需要一种适用范围广，动态性能好的信号处理电路模块。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种实时动态重量信号处理电路模块，能够用于动态重量设备的信号处理，对动态重量信号进行调理，并且滤波器截止频率可调，解决工业现场动态重量精度低的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明包括电源管理电路、信号放大电路、信号滤波电路、电压转电流电路和传感器激励电压电路；其中电源管理电路分别与信号放大电路、信号滤波电路、电压转电流电路和传感器激励电压电路相连接进行供电，信号放大电路、信号滤波电路、电压转电流电路顺次连接并作为传感器动态重量信号的通路。

动态重量信号输入到信号放大电路放大，然后输入到信号滤波电路滤波，最后输入到电压转电流电路转化为电流的调理后的重量信号，传感器激励电压电路连接传感器用以驱动传感器。

所述电源管理电路包括电源接口con1、电容c1～c14、电阻r1、二极管d1、发光二极管d2、24v转±15v电源转换模块u1以及稳压芯片u2～u5，电路经电源接口con1接+24v供电，二极管d1的阳极接+24v电源正极，二极管d1的阴极经钽电容c1与模拟地(agnd)相连，二极管d1的阴极与24v转±15v电源转换模块u1的输入端vin脚相连，二极管d1的阴极经电阻r1和发光二极管d2再接模拟地(agnd)；24v转±15v电源转换模块u1的电源输出端-vo和+vo脚分别输出-15v和+15v电源，并分别通过并联的电容c3、c4以及电容c5、c6接模拟地(agnd)；稳压芯片u2的输入端vin脚接+15v电源，输出端vout脚输出﹢12v电源，输出端vout脚通过并联的电容c7和c8接模拟地(agnd)；稳压芯片u2输出的+12v电源接稳压芯片u4的5、7、8脚，稳压芯片u4的输出端1脚和2脚相连接并输出5v电源，并通过并联的电容c11和c12接模拟地(agnd)，同时稳压芯片u4的1脚和2脚通过电容c2连接到3脚，稳压芯片u4的4脚接模拟地(agnd)；稳压芯片u3的输入端vin脚接-15v电源，稳压芯片u3的输出端vout脚输出-12v电源并通过并联的电容c9和c10接模拟地(agnd)；稳压芯片u5的输入端vin脚接-12v电源，u5的输出端vout脚输出-5v电源并通过并联的电容c13和c14接模拟地(agnd)。

所述的信号放大电路包括接口con2和接口con3、运算放大器芯片u6和u7、电位器vr1和vr2、电阻r2～r6和电容c15～c22，原始的动态重量信号由接口con2接入电路，接口con2的两个脚分别与运算放大器芯片u6的输入端5脚和4脚相连；运算放大器芯片u6的2脚依次经过电阻r2、电位器vr1和自身的15脚相连；运算放大器芯片u6的10脚接模拟地(agnd)，运算放大器芯片u6的电源引脚13脚和7脚分别接+12v和-12v电源，并分别经过并联的电容c15、c16以及电容c17、c18接模拟地(agnd)；运算放大器芯片u6的11脚和12脚相连，并经过电阻r5与运算放大器芯片u7的反向输入端2脚相连，运算放大器芯片u7的3脚经过电阻r6接模拟地(agnd)，运算放大器芯片u7的7脚和4脚分别接+12v和-12v电源，并分别经过并联电容c19、c20以及c21、c22接模拟地(agnd)；电阻r3的一端和电位器vr2的公共脚相连，电位器vr2两端分别连接模拟地(agnd)和+5v电源，电阻r3的另一端和运算放大器芯片u7的2脚相连，运算放大器芯片u7的2脚通过电阻r4和自身的6脚相连，运算放大器芯片u7的6脚作为信号放大电路的输出脚，通过与接口con3相连输出放大后的信号，将输出信号连接至信号滤波电路。

所述的信号滤波电路包括接口con4、低通滤波器芯片u8、电阻r7和r8以及电容c23～c27，接口con4的两端分别与低通滤波器芯片u8的fout脚和模拟地(agnd)连接，低通滤波器芯片u8的clkr脚、vcc-脚、agnd脚和vcc+脚为电源引脚，其中ls脚和vcc脚接-5v电源并经过并联的电容c24和c25接模拟地(agnd)，vcc+脚接+5v电源并经过并联的电容c26和c27接模拟地(agnd)，agnd脚接模拟地(agnd)；通滤波器芯片u8的clkin脚通过电容c23接数字地(dgnd)，并通过电阻r8和电位器vr3和自身的clkr脚连接，模拟地(agnd)和数字地(dgnd)之间通过电阻r7相连接，低通滤波器芯片u8的fin脚接来自信号放大电路的输出信号，经过低通滤波处理后在fout脚输出滤波后的信号并通过接口con4输出。

所述的电压转电流电路包括接口con5、压流转换芯片u9、三极管q1、场效应管q2、电阻r9～r18以及电容c28～c31，压流转换芯片u9的vsp脚和gnd脚为电源引脚，vsp脚接+24v电源并经过并联的电容c30和c31接模拟地(agnd)，gnd脚接模拟地(agnd)；压流转换芯片u9的vin脚为信号输入端，经过下拉电阻r18接模拟地(agnd)，同时与电阻r16和电阻r17的一端相连，电阻r16和电阻r17的另一端分别接来自信号滤波电路的输出信号和压流转换芯片u9自身regf脚的参考电压；压流转换芯片u9的set脚依次通过电阻r13和电阻r14接模拟地(agnd)，压流转换芯片u9的regs脚通过电阻r11接模拟地(agnd)，压流转换芯片u9的regf脚通过电阻r12和自身的regs脚相连，regf脚通过电容c29接模拟地(agnd)；压流转换芯片u9的od脚通过电阻r10接模拟地(agnd)，压流转换芯片u9的pad脚直接接模拟地(agnd)；压流转换芯片u9的is脚和vg脚分别接三极管q1的发射极和集电极，三极管q1的发射极通过电阻r9和基极相连，场效应管q2的源极和三极管q1的基极相连，场效应管q2栅极与三极管q1的集电极相连，场效应管q2的漏极接电阻r15后作为电流信号输出端，并通过电容c28接模拟地(agnd)，电阻r15接接口con5并输出电流信号。

所述的传感器激励电压电路包括接口con6、稳压芯片u10、电位器vr4和vr5、电阻r19以及电容c32～c35，稳压芯片u10的gnd脚和两个in脚是电源引脚，4脚接模拟地(agnd)，两个in脚接+12v并经过并联的电容c34和c35接模拟地(agnd)；稳压芯片u10的两个out脚相连后分别接电位器vr4和电位器vr5的公共端，单刀双掷开关s1的两个固定端接电位器vr4和电位器vr5的一端，单刀双掷开关s1的活动端经过电阻r19接模拟地(agnd)；稳压芯片u10的adj脚通过电阻r19接模拟地(agnd)，电位器vr4和vr5的公共端输出传感器激励电压并接接口con6，并经过并联的电容c32和c33接模拟地(agnd)，接口con6的1脚接模拟地(agnd)。

优选的，所述的24v转±15v电源转换模块u1采用型号为hdn3-24s05a1，所述的稳压芯片u2采用型号为lm2940ct-12，所述的稳压芯片u3采用型号为l7912cv，所述的稳压芯片u4采用型号为adp3303，所述的稳压芯片u5采用型号为l7905cv。

优选的，所述的运算放大器芯片u6采用型号为ina114，所述运算放大器芯片u7采用型号为op177。

优选的，所述的滤波器芯片u8采用型号为tlc14c。

优选的，所述的滤波器芯片u9采用型号为xtr111。

优选的，所述的滤波器芯片u10采用型号为lt1965。

本发明具有的有益效果是：

1.可将微弱的动态重量电压信号经过放大、滤波后，转换为抗干扰能力强，适合现场远距离传输的电流信号；

2.低通滤波器截止频率可调，可根据重量设备类型、传送带速度、称重对象特性将滤波器调节至合适的截止频率；

3.信号调理电路线性度好、长期工作漂移低；

4.经过电磁兼容和抗静电设计，工作性能稳定。

附图说明

图1是本发明的总体结构框图。

图2是本发明电源管理电路的电路结构图。

图3是本发明信号放大电路的电路结构图。

图4是本发明信号滤波电路的电路结构图。

图5是本发明电压转电流电路的电路结构图。

图6是本发明传感器激励电压电路的电路结构图。

图7是本发明线性度测试图。

图8是本发明长期工作稳定性测试图。

图中：电源管理电路1、信号放大电路2、信号滤波电路3、电压转电流电路4、传感器激励电压电路5。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的描述。

如图1所示，本发明的模块包括电源管理电路1、信号放大电路2、信号滤波电路3、电压转电流电路4和传感器激励电压电路5；其中电源管理电路1分别与信号放大电路2、信号滤波电路3、电压转电流电路4和传感器激励电压电路5相连接进行供电，信号放大电路2、信号滤波电路3、电压转电流电路4顺次连接并作为传感器动态重量信号的通路。

如图2所示，电源管理电路1包括电源接口con1、电容c1～c14、电阻r1、二极管d1、发光二极管d2、24v转±15v电源转换模块u1以及稳压芯片u2～u5，电路经电源接口con1接+24v供电，二极管d1的阳极接+24v电源正极，二极管d1的阴极经钽电容c1与模拟地相连，二极管d1的阴极与24v转±15v电源转换模块u1的输入端vin脚相连，二极管d1的阴极经电阻r1和发光二极管d2再接模拟地；24v转±15v电源转换模块u1的电源输出端-vo和+vo脚分别输出-15v和+15v电源，并分别通过并联的电容c3、c4以及电容c5、c6接模拟地；稳压芯片u2的输入端vin脚接+15v电源，输出端vout脚输出﹢12v电源，输出端vout脚通过并联的电容c7和c8接模拟地；稳压芯片u2输出的+12v电源接稳压芯片u4的5、7、8脚，稳压芯片u4的输出端1脚和2脚相连接并输出5v电源，并通过并联的电容c11和c12接模拟地，同时稳压芯片u4的1脚和2脚通过电容c2连接到3脚，稳压芯片u4的4脚接模拟地；稳压芯片u3的输入端vin脚接-15v电源，稳压芯片u3的输出端vout脚输出-12v电源并通过并联的电容c9和c10接模拟地；稳压芯片u5的输入端vin脚接-12v电源，u5的输出端vout脚输出-5v电源并通过并联的电容c13和c14接模拟地。

如图3所示，信号放大电路2包括接口con2和接口con3、运算放大器芯片u6和u7、电位器vr1和vr2、电阻r2～r6和电容c15～c22，原始的动态重量信号由接口con2接入电路，接口con2的两个脚分别与运算放大器芯片u6的输入端5脚和4脚相连；运算放大器芯片u6的2脚依次经过电阻r2、电位器vr1和自身的15脚相连；运算放大器芯片u6的10脚接模拟地，运算放大器芯片u6的电源引脚13脚和7脚分别接+12v和-12v电源，并分别经过并联的电容c15、c16以及电容c17、c18接模拟地。运算放大器芯片u6的11脚和12脚相连，并经过电阻r5与运算放大器芯片u7的反向输入端2脚相连，运算放大器芯片u7的3脚经过电阻r6接模拟地，运算放大器芯片u7的7脚和4脚分别接+12v和-12v电源，并分别经过并联电容c19、c20以及c21、c22接模拟地；电阻r3的一端和电位器vr2的公共脚相连，电位器vr2两端分别连接模拟地和+5v电源，电阻r3的另一端和运算放大器芯片u7的2脚相连，运算放大器芯片u7的2脚通过电阻r4和自身的6脚相连，运算放大器芯片u7的6脚作为信号放大电路的输出脚，通过与接口con3相连输出放大后的信号，将输出信号连接至信号滤波电路3。

如图4所示，信号滤波电路3包括接口con4、低通滤波器芯片u8、电阻r7和r8以及电容c23～c27，接口con4的两端分别与低通滤波器芯片u8的fout脚和模拟地连接，低通滤波器芯片u8的clkr脚、vcc-脚、agnd脚和vcc+脚为电源引脚，其中ls脚和vcc脚接-5v电源并经过并联的电容c24和c25接模拟地，vcc+脚接+5v电源并经过并联的电容c26和c27接模拟地，agnd脚接模拟地；通滤波器芯片u8的clkin脚通过电容c23接数字地dgnd，并通过电阻r8和电位器vr3和自身的clkr脚连接，模拟地和数字地dgnd之间通过电阻r7相连接，低通滤波器芯片u8的fin脚接来自信号放大电路2的输出信号，经过低通滤波处理后在fout脚输出滤波后的信号并通过接口con4输出。

如图5所示，电压转电流电路4包括接口con5、压流转换芯片u9、三极管q1、场效应管q2、电阻r9～r18以及电容c28～c31，压流转换芯片u9的vsp脚和gnd脚为电源引脚，vsp脚接+24v电源并经过并联的电容c30和c31接模拟地，gnd脚接模拟地；压流转换芯片u9的vin脚为信号输入端，经过下拉电阻r18接模拟地，同时与电阻r16和电阻r17的一端相连，电阻r16和电阻r17的另一端分别接来自信号滤波电路3的输出信号和压流转换芯片u9自身regf脚的参考电压；压流转换芯片u9的set脚依次通过电阻r13和电阻r14接模拟地，压流转换芯片u9的regs脚通过电阻r11接模拟地，压流转换芯片u9的regf脚通过电阻r12和自身的regs脚相连，regf脚通过电容c29接模拟地；压流转换芯片u9的od脚通过电阻r10接模拟地，压流转换芯片u9的pad脚直接接模拟地；压流转换芯片u9的is脚和vg脚分别接三极管q1的发射极和集电极，三极管q1的发射极通过电阻r9和基极相连，场效应管q2的源极和三极管q1的基极相连，场效应管q2栅极与三极管q1的集电极相连，场效应管q2的漏极接电阻r15后作为电流信号输出端，并通过电容c28接模拟地，电阻r15接接口con5并输出适合工业传输的4-20ma电流信号。

如图6所示，传感器激励电压电路5包括接口con6、稳压芯片u10、电位器vr4和vr5、电阻r19以及电容c32～c35，稳压芯片u10的gnd脚和两个in脚是电源引脚，4脚接模拟地，两个in脚接+12v并经过并联的电容c34和c35接模拟地；稳压芯片u10的两个out脚相连后分别接电位器vr4和电位器vr5的公共端，单刀双掷开关s1的两个固定端接电位器vr4和电位器vr5的一端，单刀双掷开关s1的活动端经过电阻r19接模拟地；稳压芯片u10的adj脚通过电阻r19接模拟地，电位器vr4和vr5的公共端输出传感器激励电压并接接口con6，并经过并联的电容c32和c33接模拟地，接口con6的1脚接模拟地。

本发明的工作过程如下：

在动态重量设备工作过程中，由于传送带运行过程中的机械振动，产品翻滚振动等干扰因素的影响，重量传感器输出的原始重量信号除了包含真实的产品重量外，还伴随着各种干扰载荷信号。

重量传感器的电源线和信号线接入模块后，重量传感器的激励电压由传感器激励电压电路5提供，用户可根据传感器的类型以及重量对象的重量，通过开关s1选择传感器激励电压(5v或10v输出)。

动态重量设备开始工作后，来自重量传感器的原始重量信号先经过模块信号放大电路2将mv级别的信号放大至v级，用户可以通过电位器vr1实现对放大信号的增益调节(增益范围为25～1000)，使信号放大到适合的电压幅值；通过电位器vr2实现对信号的零点电位调节。

信号放大电路在将真实产品重量信号放大的同时，干扰信号也被放大；放大后的信号经过信号滤波电路3将干扰信号滤除，用户可以根据重量信号特性，通过调节电位器vr3设定低通滤波器截止频率(截止频率范围为3～300hz)，最大限度地消除扰动信号并保留重量信号；消除干扰后的电压信号到达电压转电流电路(4，将电压信号转换为适合工业现场传输的4-20ma电流信号，以增强在传输过程中的抗干扰能力。

重量电流信号可通过双绞线等介质远距离传输至单片机、plc等工业控制器进行计算处理，得到产品重量。

具体实施中，24v转±15v电源转换模块u1采用型号为hdn3-24s05a1，稳压芯片u2采用型号为lm2940ct-12，稳压芯片u3采用型号为l7912cv，稳压芯片u4采用型号为adp3303，稳压芯片u5采用型号为l7905cv；运算放大器芯片u6采用型号为ina114，运算放大器芯片u7采用型号为op177；滤波器芯片u8采用型号为tlc14c，滤波器芯片u9采用型号为xtr111，滤波器芯片u10采用型号为lt1965。

信号滤波电路3中的低通滤波器芯片u8截止频率在3～300hz范围内可调，具体实施能够根据重量设备类型、传送带速度、重量对象特性将滤波器调节至合适的截止频率。

结合图7，图7是以上实施例的线性度测试结果。在传送带运行状态下，将放大倍数调节至2000倍，将滤波器的截止频率调节至50hz，分别用质量为10克、20克、30克、50克和100克的标准砝码作为称重载荷，记录输出电流。对得到的散点进行线性拟合，拟合优度达到0.9999。实验结果表明，在动态情况下本发明具有良好的线性度。

结合图8，图8以上实施例的长期稳定性和温度漂移测试结果。在传送带运行状态下，将放大倍数调节至2000倍，将滤波器的截止频率调节至50hz，将模块输出的电流信号接入控制器，得到动态称重结果。采用一枚重量为51.5克的鸡蛋作为实验称重载荷，每隔6小时进行50次称重实验，记录称重结果并计算平均值。连续进行84小时时长测试，称重结果在实际重量上下波动，偏差范围小于±0.5克。实验结果表明，本发明长期工作稳定性良好，称重结果受温度影响小。

由此可见，本发明的低通滤波器截止频率在3～300hz范围内可调，能满足动态重量设备重量信号响应快，工况差异大的需求，能将微弱的原始动态重量信号放大，通过低通滤波电路滤除扰动载荷信号，并将电压信号转换为适合工业现场传输的4-20ma电流信号，提高动态重量设备的计量精度。

上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。