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电子秤称重传感器V/F转换电路的设计

时间:2017-08-09 13:16   来源:http://www.shzrhq.com   访问量:

本文论述了适应工业环境的称重传感器V/F转换电路的完整的且具有较高性能的技术方案。称重传感器 输出端浮地及称重传感器V/F转换电路进行电压频率转换,有效地避免了部分干扰。为保证传感器输出精度和稳定 ,该电路对传感器供电电源的精度和稳定性有较高要求,文中提出了三级稳压电源的设计结构。对于输出波形的进 一步整形.使之变成标准的矩形波输出,可以提高信号准确传输和增加信号的驱动能力。该电路兼有模拟和数字信号 接口,可以作为一个独立模块用于其他电路。

0. 

电子秤称重传感器V/F转换电路是本文设计的KDF  1型数字定量给料机总电路中的一个前置电路。该电路 为工作在电网环境很差的精密仪器而设计,并且注重以下 3个方面问题:

1为了广泛适应工业环境.加强了一些抗干扰措施。 例如传感器浮地以避免地线干扰;称重传感器信号经放大 器放大后进行V/F转换,作为频率信号输出以增强传输线 抗干扰能力;以及通过放大级输出信号的滤波,V/F转换 后波形的整形,和利用六反相的并联提高带载能力三项措 施,进行了较全面的加T.处理,使波形平滑、标准、完善。

2该电路适用高档仪器参考选用。图中虽选用中档 元器件,但不失高性能电路特点,例如选用QP-07ICL7650 QD1703与此相应在电路设计上要复杂一些。

3具有分立模块功能。该电路与传感器合在一起独立于主机,作成一块独立电路板。通过频率信号进入微机 接口,接口处用一个光耦4N25,使频率信号与计算机 隔离。

感器电路远离主机并且转换成频率信号输出的R 是为了更有效地防止传感器微弱信号传输损失和十扰, 免去A/D转换,方便地供计算机使用。本文将以上儿个方 面形成一个完整系统,并提出转换为频率输出e

1.传感器电桥电源电路

本电路首先十分强调传感器电桥电源的精度和稳定 性。为了提髙抗干扰能力增设一台净化电源,作为幣个 控制电路的总电源.即本文所指的第一级稳压电源。称重 传感器V/F转换电路是这个总电源的一个分支用户。应 该指出在大多数情况下不必使用净化电源.只是在少数电 网经常波动及干扰较严重的情况下才考虑使用。因此净 化电源作为备用器件,设计时为净化电源留安装空间与接口。实践证明由于增设一台净化电源,可以放心地在工业 环境下使用,不必担心来自电源方面的干扰。配用的净化 电源型号是FD—0. 5C

称重传感器的第二级稳压电源是由三端稳压块 MC7815MC7915组成士 15 V电源。如果要求不髙的 普通场合,仅使用这一级作传感器稳压电源也能满足需 要。称重传感器的第三级稳压电源电路是由2OP-07 和互补对管D536C608组成,如图1所示。这一级起高 精度稳压作用,其原理是:

1 15 V的三端稳压集成电路作为预稳压电源。

2选用低温漂特性的运放OP47以降低运放受温 度影响所产生的温漂。

3精密电压基准源MC1403的箝位作用,从图1 U2U3两个运放的输人端均接于MC1403的输出端 ,可以认为U2U3输出电压的误差不会来自输人端。

4D356C608是一对互补对管,U2U3的负反馈 电路分别通过这对互补管的发射极。当温度上升U2的输 出电压上升。D536Vbe上升,IAB上升。但是U3的输 出电压也随之上升,导致C608Veb电压下降,Rec增大, 使IAB下降,VAB维持了动态平衡。反之亦然。

5由于正负三端稳压电源的作用,以及由U2N1 U3N2组成的对称电源结构,使传感器电桥在无负 载时Vc=0VD=0V。并且由于髙阻抗使电桥产生浮 地效果,完全勉除地线带来的干扰。

经上述处理使传感器电桥电压达到十分稳定的效果。 如果电桥的四臂应变片的阻值相等由于受到压力使电桥 的对臂阻值同时增大和减小。则电桥电压的精度将直接 传递到电桥输出端。该电桥电压的精度0.1%,那么由此 影响到放大器输出端的精度Q是:

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2.称重传感器调零电路

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1中标ACBD部分是CCY型称重传感器内部有温 度补偿电路。电桥输出端对角线上接一个10 kO电位器 滑动端通过100 kn电阻接于电桥电源负端。这是为了克 服制造工艺不完全对称性而设计的,同时兼作去皮重电 路。数字定量给料机上的机械调零作为粗调,电路上的调 零作为细调。调节R9可使VAB电位差等于10 VVCD 的输出范围015mV

3.放大电路

放大电路是由4ICL7650组成差分输人单端输出 的专用仪表放大电路。放大电路主要特点是:

(1)采用ICL7650斩波自稳零高精度放大器,能比较 好地抑制共模电压干扰。

(2)双端输人分别进人测量放大器的同相端,所以输 人阻抗大。能够克服电桥传感器输出阻抗低的特点

(3)极低的温漂系数。

(4)加一级低通有源滤波器以滤除由于放大器 ICL7650内时钟斩波频率引起的尖峰脉冲干扰。

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4 .V/F转换电路

在图1V/F转换电路是一块QD4703厚模电路,输 人电压05 V,输出频率050 kHz非线性误差 0.02%。称重传感器V/F转换电路可作为一个独立模 块,并且方便地与微机接口。通过以下分析说明V/F优于 A/D转换。

简化单片机电路,如用A/D转换,则需要在单片机 内设置A/D转换电路并占单片机一个接口。而用V/F 换则仅用一个电压频率变换器QD4703即可,并且只占用 单片机的一位I/O 口。

有利于抗干扰:①来自放大器的输出信号经过一 级低通滤波器滤除放大器的尖峰脉冲,再进行V/F转换, V/F对输人信号是一个积分的过程,同时也对窜人V/F 输人端的干扰信号也进行积分,因而对干扰信号起平滑作 用。而A/D则将干扰随输人信号同时转换送到微机中。 ②减少在传输线上的干扰。在V/F转换器的输出端输出 05 V标准矩形波频率信号,在传输线上的干扰信号,会 叠加在矩形波上,那么只能使矩形波发生形变,但不会改 变波形的有效值,更不会改变输出频率。而使用模拟信号 传输方式,在传输线上叠加的干扰信号将使模拟信号有效 值发生变化。

有利于净化单片机的工作环境,因为在接口处只 需用一个简单的光耦就可使它们不共地而免除干扰,而 A/D转换不易作到这点。

有利于远距离传送,进人主机的信号是05 V 数字信号,那么在传输中5 V信号的衰减或0 V信号的增 长所带来的变形都不会影响信号内容的传送。

转换分辨率高,12A/D的分辨率为5 V/4 098 == 1.2 mVV/F转换的分辨率5 V/25 kHz = 0.2 mV以上 分析可见从价格、性能、精度V/F转换优于A/D转换。 图中R24为调零电位器,R23为调满量程电位器。先使 QDt703的脚2输人10 mV电压,R24使脚7输出/=100 Hz,然后输人5 VR23使输出/=50 kHz,—般反复调几次 可得到满意结果.J-K触发器74HC76接成二分频电路,目 的是为了使输出频率降下来,也可以不分频,视具体情况 而定。

5.波形整形输出级

称重传感器V/F转换电路的最后一级是波形整形输 出级,这一级由一片六反相MC14049构成。为了提髙驱动能力把反相器的6个输端和6个输出端分别按并联方式连接。

至此完成了从称重传感器的十几mV的模拟信号经 过一系列措施到六反相的输出端变成05 V的标准频率信号输出。

该电路虽为电子秤设计的,但具有通用性,应用范围 广阔,可以作为一个独立模块从中引出模拟信号和数字信 号与其他主电路接口。

6. 

以上所述5个方面的问题是V/F转换电路经常遇到 而又不能很好解决的问题。一般电路只涉及本文中提到 的部分问题,该电路力求在设计上适应各种复杂环境, 以通用性强,读者不必要改进直接选用即可。例如在传感 器电桥电源使用了预稳压、互补对管、低温漂管、精密基准 源、浮地、等多种现代电路中的成熟技术,以适应多方面要 求。电路对于尖峰电压抑制,可以使3 000 V窄尖峰脉冲 干扰,经过一些处理最后在输出端仅仅引起0. 3 /iV的电 压干扰,以适应极端高压情况。用分立元件作为频率转换 优越于A/D转换,以保证信号准确传输

该电路用于山东八一水煤浆厂,在电网急剧波动和各 种干扰的情况下仍然稳定工作,其运行结果与实验室比 较,称量输出信号仅差0.1%

 


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