設計電阻橋式傳感器與5V單電源供電的ADC之間的接口是一個新的挑戰(zhàn)。有些應用需要輸出電壓在0V到滿量程電壓(如4.096V)之間以高精度波動。對大多數單電源儀表放大器,當輸出信號接近0V、接近單電源低輸出擺幅限制時,會出現問題。一個好的單電源儀表放大器可在接近于單電源地電壓的范圍內擺動,即使有真正的滿擺幅輸出,也不能達到地電壓。
在本應用中,傳感器是一個精密的力敏元件,其額定負載為5kg,即約11磅。在鋁盤上測重大約為150g的物體,即大約5盎司。由于鋁盤自重,即使沒有任何物體稱重,儀表放大器的輸出信號也不能低到0V?,F在,問題是如何補償儀表放大器的輸出偏移電壓和鋁盤本身產生的電壓。
軟件彌補系統偏移是最簡單的方法。在加電期間,鋁盤上沒有稱重物體,系統可以獲取偏移電壓,并將數據記錄在微控制器內存中。隨后,當有物體稱重時,從獲得的數據中減去它即可。但是,這種做法不能達到天平的5kg滿量程,僅能達到4.85kg。
本設計實例說明如何利用微控制器實現硬件補償。當加電后,運行軟件程序復位系統偏移。解決方案如圖1所示,基于四個來自Linear Technology公司IC的簡
單電路。精密電壓基準IC1,有高達50mA的最小輸出電流。它提供4.096V輸出電壓驅動力敏元件,并設置12位ADC(IC3)的滿量程范圍。高精度儀表放大器LT1789-1(IC2)的特點是在0℃~70℃溫度范圍內,最大輸入失調電壓為150mV,滿擺幅輸出電壓相對地電壓110mV范圍內擺動時,最大輸入失調偏移電壓是0.5mV/℃。通過精密電阻R2(阻值為500Ω)設定增益,當稱重是5kg時,輸出范圍為4.096V,其最大輸入信號是VCC×S=4.096V×2mV/V=8.192mV,這里S是該傳感器的靈敏度。
雙通道DAC(IC4)的DAC_A輸出在儀表放大器參考引腳處提供200mV的參考電壓,以避免放大器本身地飽和,但傳輸特性不是線性關系。放大器最壞情況下輸出偏移是:VREF+VPAN±VOFFSET=200mV+125mV±500×150mV=325mV±75mV=250mV/400mV,這里VPAN=125mV,是鋁盤自重產生的電壓值。
因此系統輸出偏移是250mV到400mV。加電后,微控制器運行一個程序設置DAC_A輸出為200mV,同時,增加雙通道DAC(IC4)的DAC_B輸出直到等于ADC(IC3)管腳2上的系統偏移,轉換結果就是000h。這一結果是可能的,因為IC4包含兩個12位2.5V滿量程電壓的DAC,最低有效位(LSB)等于0.61mV,小于分辨率為1mV的IC3。這個數字相當于該天平的分辨率:5000g/4096=1.22g。當最大負載5kg時,儀表放大器的最大輸出電壓是4.096V + VOUT_TOTAL_OFFSET_INA = 4.346V/4.496V,低于4.62V高飽和狀態(tài)下溫度的最壞情況。
IC3有一個單極差分輸入,所以可以從+IN輸入電壓中減去一個恒定電壓值等于IC4的DAC_B提供的系統偏移。在第一個半時鐘周期內,ADC采樣和保持正向輸入電壓。這階段結束,或在采集時間內,輸入電容切換到負輸入并開始轉換。在IC3輸入端的RC輸入濾波器的時間常數為0.5ms,允許正負輸入電壓采用最高為200kHz時鐘頻率在轉換時間的第一時鐘周期內達到12位精度。如果想增加時間常數,必須采用較低時鐘頻率。
此外,DAC和ADC有一個三線串行接口,可方便地將數據傳輸到最高采樣率為12.5kS/s的寬范圍微控制器。當ADC處于沒有轉換的時候,它會自動把功率降至1nA的電源電流,而且如果微控制器通過其引腳3來關閉IC1,電路限制電源電流在最壞情況下僅為1mA,因為所有的IC集成電路都是微功耗的。