称重仪表的模数转换系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种称重仪表的模数转换系统，包括单片机等，第一电阻、第二电阻连接在称重传感器和模数转换芯片之间，第三电阻连接在第一电阻和第二电阻之间，单片机与模数转换芯片连接，第四电容、第十五电阻、第十六电阻依次串联，第四电容与称重传感器连接，集成开关电源稳压芯片与第十六电阻并联，称重传感器与一个正激励电源、一个负激励电源连接，正激励电源的电压与负激励电源的电压不同。本实用新型通过改变仪表输出的正负激励电压的方式，实现既能输出一个高传感器激励电压，又能获得一个满足∑-△型ADC低共模电压输入要求，降低了仪表提高应用现场的适应能力的设计成本和设计难度。
【专利说明】称重仪表的模数转换系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种模数转换系统，具体地，涉及一种称重仪表的模数转换系统。
【背景技术】
[0002]计量技术特别是称重计量技术中，AD(模数)技术是最关键的一个环节。称重技术需要高分辨率、高集成度、高可靠性和低价格的ADC。Σ - Λ转换技术将过采样、抽取滤波以及量化噪声整形三项技术结合在一起，实现了高集成度、高测试精度，恰好满足这些要求。目前，Σ - Λ技术的ADC已成为称重技术AD技术中最主流的ADC，被广泛的应用于各种非自动和自动电子衡器中。
[0003]称重仪表在应用中，既要求要有很高的计量精度，同时又要求仪表测得的测量数据要有较高的稳定性。要满足上述要求，首先需要仪表的ADC (模数转换电路)要有很高的分辨率，另外需要仪表接受的输入测量信号要尽可能的大。
[0004]称重仪表米用Σ - Λ型ADC，实现尚分辨率是不存在冋题的，主要是解决如何获得大输入测量信号这一问题。一般来说，获得大输入信号的方法有两种:(I)增大输入信号放大电路的放大倍数；(2)提高传感器的激励电压。增大输入信号的放大倍数不是最理想的方式:因为来自传感器的输入信号在信号传输过程中，不可避免的会被叠加上诸多噪声(干扰)信号，在经过信号放大器放大时，输入的测量信号和对噪声都同时被进行放大，无论放大多少倍，都无法改善或提高仪表A/D转换电路的信噪比，达到实现高精度测量时数据稳定性的目的。而通过提高传感器激励电压的方式，仅仅只是增大输入的测量信号，不会改变噪声信号的大小，这就无形中提高了仪表A/D转换电路的信噪比，提高了电路的抗干扰能力，提高了高精度测量下数据稳定性。
[0005]但一般的Σ - Λ型ADC都是低电压工作的(+3.3V?+5V)，输入信号的共模电压一般为工作电压的一半，基准输入电压最大不能超过ADC的工作电压。而称重传感器输出的信号共模电压是传感器激励电压的一半，这就决定了称重仪表的激励输出电压不能超过ADC的工作电压。这一限制，直接就将采样Σ -Λ型ADC的称重仪表的激励输出限制在了最大只能是+5V，为通过“提高传感器激励电压的方式实现高精度测量下数据稳定性”的方式带来很大难度，也大大增加了此类仪表提高应用现场的适应能力的设计成本和设计难度。
实用新型内容
[0006]针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种称重仪表的模数转换系统，其通过改变仪表输出的正负激励电压的方式，实现既能输出一个高传感器激励电压，又能获得一个满足Σ - Λ型ADC低共模电压输入要求，降低了仪表提高应用现场的适应能力的设计成本和设计难度。
[0007]根据本实用新型的一个方面，提供一种称重仪表的模数转换系统，其特征在于，包括单片机、集成开关电源稳压芯片、模数转换芯片、称重传感器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第十五电阻、第十六电阻、第四电容，第一电阻、第二电阻连接在称重传感器和模数转换芯片之间，第三电阻连接在第一电阻和第二电阻之间，单片机与模数转换芯片连接，第四电容、第十五电阻、第十六电阻依次串联，第四电容与称重传感器连接，集成开关电源稳压芯片与第十六电阻并联，称重传感器与一个正激励电源、一个负激励电源连接，正激励电源的电压与负激励电源的电压不同。
[0008]优选地，所述集成开关电源稳压芯片的型号为LM25965。
[0009]优选地，所述模数转换芯片的型号为ADS1232。
[0010]优选地，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻构成电阻网路。
[0011]优选地，所述第四电容、第十五电阻、第十六电阻构成上电迟滞启动电路。
[0012]优选地，所述单片机与模数转换芯片之间设有第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第九电容，第八电阻、第九电阻、第十电阻三者之间相互并联，第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻三者之间相互并联，第八电阻与第十一电阻串联，第九电阻与第十二电阻串联，第十电阻与第十三电阻串联。
[0013]优选地，所述模数转换芯片还与第一电容、第三电容、第五电容、第十一电容、第十二电容连接，第一电容与第十一电容并联，第三电容与第十二电容串联。
[0014]优选地，所述集成开关电源稳压芯片与二极管、第一电解电容、电感、第二电解电容连接。
[0015]优选地，所述称重传感器与第六电容、第七电容、第八电容、第六电阻、第七电阻连接。
[0016]与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果:本实用新型通过改变仪表输出的正负激励电压的方式，实现既能输出一个高传感器激励电压，又能获得一个满足Σ - Λ型ADC低共模电压输入要求，降低了仪表提高应用现场的适应能力的设计成本和设计难度。本实用新型既实现了高精度测量，又得到了测量数据的高稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0018]图1为本实用新型称重仪表的模数转换系统的电路图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
[0020]如图1所示，本实用新型称重仪表的模数转换系统包括单片机U1、集成开关电源稳压芯片U2、模数转换芯片U3、称重传感器U4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第四电容C4，第一电阻R1、第二电阻R2连接在称重传感器U4和模数转换芯片U3之间，第三电阻R3连接在第一电阻Rl和第二电阻R2之间，单片机Ul与模数转换芯片U3连接，第四电容C4、第十五电阻R15、第十六电阻R16依次串联，第四电容C4与称重传感器U4连接，集成开关电源稳压芯片U2与第十六电阻R16并联，称重传感器U4与一个正激励电源EX+、一个负激励电源EX-连接，正激励电源EX+的电压与负激励电源EX-的电压不同。集成开关电源稳压芯片U2的型号为LM25965。模数转换芯片U3的型号为ADS1232。
[0021 ] 集成开关电源稳压芯片U2产生负激励电源EX-，集成开关电源稳压芯片U2以正激励电源EX+为输入电源，电源输出端(第4脚)与地线连接作为输出电源地，集成开关电源稳压芯片U2的地线端(第3脚)作为U2的输出端，实现负激励电源EX-的产生。
[0022]模数转换芯片U3对称重传感器U4输出的模拟信号进行放大并执行A/D转换。模数转换芯片U3的内部具有内置放大器，放大倍数由第19脚和20脚的电平状态进行配置。U3内置滤波电路由第9脚和第10脚之间的第^^一电容Cll共同构成完整滤波电路，实现对输入模拟信号的滤波。
[0023]单片机Ul主要是控制模数转换芯片U3复位(模数转换芯片U3的第22脚)、失调校正(模数转换芯片U3的第23脚)、监测A/D转换状态(模数转换芯片U3的第24脚)，当U3—次转换完成时，通过控制同步时钟(模数转换芯片U3的第23脚)从模数转换芯片U3的数据输出端(第24脚)读取转换结果，然后做进一步处理。
[0024]单片机Ul与模数转换芯片U3之间设有第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第i^一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第九电容C9，第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻RlO三者之间相互并联，第^^一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13三者之间相互并联，第八电阻R8与第十一电阻Rll串联，第九电阻R9与第十二电阻R12串联，第十电阻RlO与第十三电阻R13串联。
[0025]模数转换芯片U3还与第一电容Cl、第三电容C3、第五电容C5、第^^一电容C11、第十二电容C12连接。
[0026]第一电容Cl、第三电容C3、第五电容C5构成模数转换芯片U3基准输入的滤波电路，对模数转换芯片U3的基准电源输入端进行滤波，以保证基准电压的稳定。第十一电容Cll跨接在U3的第9脚和第10脚之间，配合模数转换芯片U3内部滤波电路构成模数转换芯片U3的片内模拟输入信号滤波器。
[0027]集成开关电源稳压芯片U2与二极管D1、第一电解电容E1、电感L、第二电解电容E2连接。第二电解电容E2是集成开关电源稳压芯片U2的输入电容，用于对输入电源进行滤波；第一电解电容El和电感L构成集成开关电源稳压芯片U2的输出纹波滤波电路，滤除输出纹波；二极管Dl为吸收二极管，用于吸收电感L在工作时所产生的反向电动势。
[0028]称重传感器U4与第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第六电阻R6、第七电阻R7连接。
[0029]第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8构成称重传感器U4输出信号的初级滤波电路。第六电容C6和第八电容C8分别滤除正负输出信号的差模干扰，第七电容C7用于滤除共模干扰信号。六电阻R6、第七电阻R7分别串联在传感器正负输出信号线上，一方面与第六电容C6、第七电容C7共同构成T型滤波电路，同时，起到对模数转换芯片U3的模拟信号输入端的信号缓冲保护。
[0030]本实用新型的激励电源采用非对称双电源设计，正激励电源(正激励电源可以与称重传感器U4的第一脚连接)采用DC+10V，负激励电源(负激励电源可以与称重传感器U4的第三脚连接)采用DC — 5V(DC - 5V由以集成开关电源稳压芯片U2为核心的负电压发生电路产生的)，实现高激励电压输入、低共模电压输出的目的。采用此非对称双电源激励方式，加载到称重传感器U4上的激励电压为+1V —(一 5V) =+15V，相比标准Σ-Λ型ADC(此方案中以TI的24bit精度的模数转换芯片U3为例)一般只能采用+5V激励电压，扩大了三倍，实现了高电压激励的目的。
[0031]称重传感器U4信号输出信号电压(U。)为如下式⑴:
[0032]U0= UexcX α..............................................................................(I)
[0033]其中，Uex。为激励电压，α为传感器的输出灵敏度，由于α为一恒定值，所以当激励电压(UEX。)提升三倍后，传感器输出信号U。也将提高三倍。
[0034]同时因为采用+1V和一 5V来作为正负激励电源，称重传感器U4为应变式称重传感器，本质是由四个阻性元件——电阻式应变计组成的惠斯特电桥，称重传感器U4的第二脚和第四脚分别是称重传感器正输出信号和负输出信号。假设四个电阻应变计的电阻值分别为R，在传感器输出信号为O时，则称重传感器U4的第二脚处的电压为:10V-(10V-(-5)V).R/2R = 10V-7.5V = 2.5V ;同理，称重传感器U4的第四脚处的电压也为2.5V。由此可知称重传感器U4正负两路(称重传感器U4的第二脚和第四脚)输出信号的共模电压为+2.5V，此电压值完全满足Σ - Λ型ADC共模电压要求((+2.5V，推荐+2.5V)，实现了低共模电压的目的。
[0035]本实用新型通过第一电阻Rl、第二电阻R2、第三电阻R3构成电阻网路，通过此电阻网络实现高激励电压下产生符合Σ - Λ型ADC要求的低激励反馈电压的问题。第一电阻Rl的阻值、第二电阻R2的阻值、第三电阻R3的阻值相等，将施加在称重传感器U4的1、3脚之间的激励电压15V等分，第三电阻R3上的分压为+5V，将第三电阻R3两端与模数转换芯片U3的基准电压输入端U3-15 (负基准输入)、U3-16 (正基准输入)脚链接，作为模数转换芯片U3的基准输入，达到满足Σ - Λ型ADC基准输入电压((+5.5V)的要求。
[0036]通过电阻网络实现高激励电压下产生符合Σ - Λ型ADC要求的低激励反馈电压的问题。称重仪表的激励反馈电压很重要，以激励反馈电压作为ADC的基准参考电压能起到称重技术上所讲的“长线补偿”作用。但Σ-Λ型ADC(以ADS1232为例)的基准电压幅值上限是有严格规定的:一般为ADC的模拟工作电压+10%。将称重传感器U4端的激励电压通过反馈电路返回到称重仪表，通过第一电阻Rl、第二电阻R2、第三电阻R3组成的电阻网络产生一路+5V的电压信号，作为满足Σ -Λ型ADC(以ADS1232为例)要求(彡+5.5V)的基准输入电压。
[0037]+1V电源不仅作为正激励电压(EX+)，同时，+1V输入到集成开关电源稳压芯片U2后产生一 5V激励电压。单片机Ul的第5脚为输出使能控制脚，与第四电容C4、第十五电阻R15、第十六电阻R16构成的上电迟滞启动电路连接。当+1V电源还没稳定建立之前，上电迟滞启动电路输出高电平到单片机Ul的第5脚，使单片机Ul的输出端处于高阻状态，无一 5V输出，称重传感器U4近似于“开路”工作状态，所以无信号输出，这样也就避免了一5V负激励电压还未准确建立时导致共模电压异常对Σ - Λ型ADC产生损害。同时，从正激励电压产生负激励电压，也会保证在正激励+1V有故障时传感器供电回路能及时断电从而避免意外发生。
[0038]本实用新型以低廉、简单的电路解决了采用Σ - Λ型ADC的称重仪表不能使用高激励电压为传感器供电的问题，既增大称重传感器的输出信号，提高了信噪比，大大提升了电子称重仪表的抗干扰能力和对应用现场的适应能力；同时在高激励电压下又降低了传感器输出信号的共模电压，使之适应Σ -Λ型ADC的要求，实现了高精度测量，即:既保证了测量精度，又保证了测量数据的稳定。
[0039]以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。
【权利要求】
1.一种称重仪表的模数转换系统，其特征在于，包括单片机、集成开关电源稳压芯片、模数转换芯片、称重传感器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第十五电阻、第十六电阻、第四电容，第一电阻、第二电阻连接在称重传感器和模数转换芯片之间，第三电阻连接在第一电阻和第二电阻之间，单片机与模数转换芯片连接，第四电容、第十五电阻、第十六电阻依次串联，第四电容与称重传感器连接，集成开关电源稳压芯片与第十六电阻并联，称重传感器与一个正激励电源、一个负激励电源连接，正激励电源的电压与负激励电源的电压不同。
2.根据权利要求1所述的称重仪表的模数转换系统，其特征在于，所述集成开关电源稳压芯片的型号为LM25965。
3.根据权利要求1所述的称重仪表的模数转换系统，其特征在于，所述模数转换芯片的型号为ADS1232。
4.根据权利要求1所述的称重仪表的模数转换系统，其特征在于，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻构成电阻网路。
5.根据权利要求1所述的称重仪表的模数转换系统，其特征在于，所述第四电容、第十五电阻、第十六电阻构成上电迟滞启动电路。
6.根据权利要求1所述的称重仪表的模数转换系统，其特征在于，所述单片机与模数转换芯片之间设有第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第九电容，第八电阻、第九电阻、第十电阻三者之间相互并联，第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻三者之间相互并联，第八电阻与第十一电阻串联，第九电阻与第十二电阻串联，第十电阻与第十三电阻串联。
7.根据权利要求1所述的称重仪表的模数转换系统，其特征在于，所述模数转换芯片还与第一电容、第三电容、第五电容、第十一电容、第十二电容连接，第一电容与第十一电容并联，第三电容与第十二电容串联。
8.根据权利要求1所述的称重仪表的模数转换系统，其特征在于，所述集成开关电源稳压芯片与二极管、第一电解电容、电感、第二电解电容连接。
9.根据权利要求1所述的称重仪表的模数转换系统，其特征在于，所述称重传感器与第六电容、第七电容、第八电容、第六电阻、第七电阻连接。
【文档编号】H03M1/12GK204258783SQ201420773744
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月9日 优先权日:2014年12月9日
【发明者】张宏社 申请人:上海耀华称重系统有限公司