李萌萌，寧 祎，王 統(tǒng)

（河南工業(yè)大學(xué) 機器人研究所，鄭州 450007）

0 引言

經(jīng)過多年的發(fā)展，壓力傳感器已成為一種工業(yè)和醫(yī)療檢測的重要器件。壓力傳感器應(yīng)用廣泛：用在井下壓力信息采集、醫(yī)療檢測、直射武器立靶密集度測量、工業(yè)現(xiàn)場稱重和兩足外骨骼機器人足底壓力測量[1～3]等方面。壓力傳感器采用電橋式電路結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的線性度和靈敏度，及很好的溫度補償性能。但一個微應(yīng)變電橋輸出只有2mV左右，即使在滿載情況下，應(yīng)變片的最大輸出也只有數(shù)10mV[4]，使信號的A/D轉(zhuǎn)換受限，不能良好的完成信號采集工作。因此，需要對壓力傳感器輸出的信號進行有效放大和調(diào)理。

本文使用增益可編程，單電源供電，雙端輸入單端輸出及高共模抑制比的儀表放大器AD623，設(shè)計完成信號調(diào)理電路，把微弱直流電壓信號放大到數(shù)百毫伏甚至更高，以滿足A/D采集要求。

1 信號調(diào)理電路設(shè)計

實際應(yīng)用中，傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計必須考慮三項主要內(nèi)容：1）針對傳感器本身的特性設(shè)計恒流源或恒壓源,即電流（或電壓）不受傳感器輸入負載變化的影響,使傳感器輸出特性只與被測量有關(guān)；2）根據(jù)傳感器的輸出特性,設(shè)計信號放大與增益可控電路,以滿足信號采集與處理的要求,即信號便于與A/D轉(zhuǎn)換器接口；3）設(shè)計濾波電路[5]。

本文所設(shè)計的信號調(diào)理電路主要由壓力傳感器和信號調(diào)理模塊組成，其中信號調(diào)理模塊由+5V電源模塊、濾波電路及AD623等器件組成。信號調(diào)理電路框圖如圖1所示。

圖1 信號調(diào)理電路框圖

2 模塊設(shè)計

2.1 電源模塊

本研究中所采用的壓力傳感器是不銹鋼材質(zhì)，外形尺寸結(jié)構(gòu)微小，適用于各種微小空間檢測。其直流供電電壓范圍是+5V～+10V。儀表放大器AD623單電源供電電壓范圍是+3V～+12V。本設(shè)計采用LM2931電壓校準模塊為壓力傳感器和AD623提供+5V精準供電電壓。LM2931有不同型號，分為固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出，有非常低的靜態(tài)電流，輸出電流超過100mA，有短路保護。本設(shè)計采用輸出固定電壓為+5V的LM2931AM-5設(shè)計完成+5V電源模塊。為了保持電壓穩(wěn)定性，針對電源模塊的輸入和輸出都加了去耦電容，其中電源輸出端電容值至少為100μF。+5V電源模塊設(shè)計如圖2所示。

圖2 電源模塊電路

2.2 放大電路模塊

壓力傳感器有其特定的參數(shù)。若要壓力傳感器輸出信號與A/D轉(zhuǎn)換器接口相匹配，首先要根據(jù)壓力傳感器的分度值確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。壓力傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 壓力傳感器參數(shù)

注：si為壓力傳感器i的載荷靈敏度，fimax為壓力傳感器i的額定量程，us為壓力傳感器i的電源電壓，mimin為壓力傳感器i能夠分辨的最小載荷量，vic為壓力傳感器i的共模電壓，vid為壓力傳感器i的差模電壓。

壓力傳感器額定量程為75Kg，最小稱量200g，那么其分度值A(chǔ)=75Kg/200g=375，因此A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少需要9位。本研究所用A/D轉(zhuǎn)換器是S12系列單片機型號MC9S12XDP512（以下簡稱XDP512）的ATD模塊，其轉(zhuǎn)換位數(shù)有8位和10位可選，這里選擇10位轉(zhuǎn)換。

確定轉(zhuǎn)換位數(shù)后，要根據(jù)壓力傳感器的參數(shù)和XDP512單片機ATD的輸入性能確定電路的增益值。這要求正確分析儀表放大器AD623的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。AD623的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。AD623是兩級放大結(jié)構(gòu)，第一級為兩個輸入運放U1和U2按同相輸入接法組成，第二級為一個輸出運放U3組成差分放大電路。在第一級電路中，壓力傳感器輸出的正信號和負信號分別加在AD623的同相端和反相端。AD623與傳統(tǒng)三運放結(jié)構(gòu)儀表放大器的不同之處是在兩個輸入運放之前分別加兩個PNP晶體管作為電壓緩沖器，以便向兩個輸入運放提供共模信號，并且符合電源限輸入運放電路結(jié)構(gòu)的要求。輸出運放用來將差動電壓轉(zhuǎn)換成單端電壓，它還對前面兩個輸入運放輸出的共模信號起到抑制作用，有益于改善整個電路的性能。兩級放大最終的增益值可由公式：計算出。其中，G為增益值，RG為跨接在第1引腳和第8引腳之間的電阻。當1腳和8腳之間不接電阻時，AD623實現(xiàn)單位增益。AD623可實現(xiàn)的增益范圍是[1,1000]。

圖3 AD623結(jié)構(gòu)簡圖

定義Uimin為壓力傳感器在最小載荷量作用下的輸出，Uimin由式（1）：

計算出，為26.67μV。XDP512的ATD模塊，采用10位轉(zhuǎn)換，其能夠分辨的最小電壓uinmin由式（2）：

計算出。式中VREF為ATD的參考電壓，其范圍是0～+5V，這里選擇VREF為+5V，則uinmin為4.89mV。由以上分析可看出，如果信號不放大，A/D轉(zhuǎn)換器將不能識別Uimin。因此必須對壓力傳感器的輸出電壓放大。其最小放大倍數(shù)Aumin由式（3）：

計算出，為500。因此，壓力傳感器輸出信號增益范圍是[183.40,500]。綜合考慮AD623的性能及放大電路的穩(wěn)定性,設(shè)置放大電路增益值為238，則根據(jù)公式反求出電阻RG的大小為421.9Ω，取標稱阻值422Ω，這確定了放大電路模塊的增益電阻值參數(shù)。

2.3 濾波電路

為了抑制RF干擾信號，在壓力傳感器的信號輸出端，即儀表放大器AD623的信號輸入端設(shè)計了RC低通濾波器，如圖4所示。為了使AD623獲得穩(wěn)定電壓，在AD623的正電源端加了去耦電容，0.1μF的陶瓷電容和10μF的鉭電解電容并聯(lián)。

XDP512 單片機ATD 的采樣頻率可以在28KHz～500KHz范圍內(nèi)選擇，單片機總線時鐘頻率設(shè)置為8MHz，對其12分頻，得到ATD時鐘頻率667K，ATD采樣頻率設(shè)置為67K。為了在獲得良好濾波效果的同時能夠滿足采樣定理，設(shè)計低通濾波器的截止頻率為fc=9.7K。圖4中，R1與C3（同樣，R2與C4）組成低通濾波器。因為fc=1/2πR1C3，選電阻R1為91K，則計算出C3容值為180pF。91K電阻足夠大，能夠有效隔離來自電容電路的輸入，同時帶來的電路噪聲影響也很微小。為了保持放大器的共模抑制能力，電容C3與C4的容許誤差需要達到5%或更好。R1/R2與C3/C4組成了橋式電路，它們的輸出穿過放大器的輸入，C3和C4有任何不匹配，都將使橋路不平衡，并降低共模抑制能力。所以R1與R2相等，C3與C4相等，使橋式電路對稱，獲得良好濾波效果的同時，又不降低電路的共模抑制能力。

電容C5用來保持低頻段共模抑制能力，保證所有的RF信號都是共模的，同時又不差分放大這些信號。R1+R2和C5組成了第二個低通濾波網(wǎng)絡(luò)。這個低通濾波電路的截止頻率約為10.66K。

3 仿真分析

圖4 放大與濾波電路

Multisim是美國國家儀器公司（NI）推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。電路仿真軟件Multisim擁有龐大的元器件庫，具有強大的虛擬儀器功能。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。本設(shè)計采用Multism13仿真軟件，對所設(shè)計的放大電路進行仿真，仿真電路如圖5所示。V2和V3模擬壓力傳感器輸出的直流差分電壓信號，萬用表XMM1用來顯示放大電路的輸出電壓，所選電容容許誤差為5%，所選增益電阻為1%精度的金屬膜電阻。因為AD623的第5引腳參考端接地，放大電路的輸出電壓就等于壓力傳感器輸出的差分信號實際被放大的電壓。手動更改V2和V3的差分電壓值，從1mV～10mV共10組值，觀察萬用表的數(shù)字值，并記錄，制成增益表，如表2所示。

表2 增益表

由表2知，增益與所設(shè)計的增益238最大相差0.993%，最小相差0.042%。由AD623的特性可知，增益增大，其增益誤差也增大，G＞1時，增益誤差推薦為0.35%。考慮到本設(shè)計增益為238，遠大于1倍增益，增益誤差在0.042%～0.993%范圍內(nèi)是可接受的。

4 結(jié)束語

針對雙足步行機器人用某微型稱重測力傳感器設(shè)計了以AD623為核心的信號調(diào)理電路，單電源供電，一個增益電阻完成放大，減少了元器件的使用數(shù)量，減小了電路板的設(shè)計尺寸，便于足底安裝。對主要電路放大電路進行了仿真試驗。結(jié)果表明，所設(shè)計電路增益誤差為0.042%～0.993%，能夠?qū)ξ⑷踔绷麟妷盒盘栠M行有效放大，滿足微控制器XDP512單片機A/D轉(zhuǎn)換器信號采集要求。

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