CN113899437B - 一种基于称重传感器的模拟信号采样测量电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于称重传感器的模拟信号采样测量电路及方法，称重传感器输出差分模拟信号SIG+和SIG‑分别与多通道模拟多路开关AM1输入端连接，多通道模拟多路开关AM1输出端与差分放大电路输入端连接；差分放大电路输出端与多通道模拟多路开关AM2输入端连接，多通道模拟多路开关AM2输出端依次连接积分电路、比较电路、占空比检测计算电路和三角波发生电路，三角波发生电路的输出端连接比较电路输入端；称重传感器反馈信号SEN+和SEN‑分别与多通道模拟多路开关AM3和AM4输入端连接，其多通道模拟多路开关AM3和AM4输出端均选通接入积分电路。消除了波动和误差，准确描述称重传感器的模拟信号实时变化特征。

Description

一种基于称重传感器的模拟信号采样测量电路及方法

技术领域

本发明属于称重技术领域，涉及一种基于称重传感器的模拟信号采样测量电路及方法。

背景技术

称重传感器的模拟信号采样测量作为本领域内公知技术一般是将称重传感器输出的模拟信号经过滤波、差分放大后采用高分辨率的A/D转换芯片(如AD7195等)将模拟信号转换成数字内码输出至微控制器MCU中进行数据处理。实际应用中称重传感器中的力测量单元会随着时间产生蠕变并且由于周围环境温度、压强、电源激励波动称重传感器的输出信号常常伴随一定的误差，必须通过信号采样测量电路尽可能的减小信号误差、滤除环境噪声，使信号误差处于可接受的公差范围之内。称重传感器根据接线方式分为4线制和6线制两种，4线制称重传感器接口分别为激励(EXC+)、激励(EXC-)、信号(SIG+)、信号(SIG-)，6线制称重传感器接口在4线制基础上增加了反馈(SEN+)、反馈(SEN-)两个接口。当4线制称重传感器与测量电路连接时，激励(EXC+)与反馈(SEN+)短接，激励(EXC-)与反馈(SEN-)短接，当6线制称重传感器与测量电路连接时，激励(EXC+)与反馈(SEN+)无需短接，激励(EXC-)与反馈(SEN-)无需短接。CN109510615公开了一种称重传感器输出接口转换电路，通过模拟开关灵活选择传感器输出接口与测量电路的连接关系。众所周知，称重传感器信号的采样测量有着严格的要求，其输出模拟信号正比于传感器激励电压的大小，通常为毫伏级别。

由于成本的原因信号采样测量电路中的电源一般选择DC电源，因而也采用DC放大。DC电源的好处是电路设计较为简单，但是常常伴随运算放大器的热电压误差和环境温度、压强变化造成的漂移误差以及电路中低频噪音的影响。对于上述测量误差，可以通过AC调制技术进行削弱，AC调制技术又分为称重传感器激励端调制和信号端调制。激励端AC调制技术通常是与具有相应功能的A/D芯片一起使用，由A/D芯片控制调制信号进而使称重传感器激励电压周期性交替反转，并且确保A/D芯片同步进行采样转换。信号端AC调制技术一般是通过模拟多路开关将信号采样测量电路输入的差分信号相互交错分别传送至两个运算放大器，运算放大器输出信号输出至与输入模拟多路开关同相的另外一个模拟多路开关被再次交错反转。差分信号在两个相邻测量相位间通过模拟多路开关以足够高的频率交错反转信号，这种方法同样可以抑制运算放大器的1/f噪声，将低频的1/f噪声信号升高至转换开关的频率，很容易借助低通滤波器滤除上述测量误差。在实现发明的过程中，发现现有A/D转换技术存在以下缺陷：

(1)当称重传感器激励信号或A/D转换芯片参考电压发生波动时会影响其测量精度。

(2)A/D转换芯片采用串行输出数据方式时速率低，同一时刻输出数据与实际信号会存在一定误差。

(3)A/D转换电路需要根据需求精度采用相应位数的A/D转换集成芯片，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于称重传感器的模拟信号采样测量电路及方法，消除了波动和误差，准确描述称重传感器的模拟信号实时变化特征，具有检测精度高、成本低、实时性好等优点。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于称重传感器的模拟信号采样测量电路，包括称重传感器、多通道模拟多路开关、差分放大电路、积分电路、比较电路、占空比检测计算电路和三角波发生电路；

称重传感器输出差分模拟信号SIG+和SIG-分别与多通道模拟多路开关AM1输入端连接，多通道模拟多路开关AM1输出端与差分放大电路输入端连接；差分放大电路的输出端与多通道模拟多路开关AM2输入端连接，多通道模拟多路开关AM2输出端依次连接积分电路、比较电路、占空比检测计算电路和三角波发生电路，三角波发生电路的输出端连接比较电路输入端；称重传感器反馈信号SEN+和SEN-分别与多通道模拟多路开关AM3和AM4输入端连接，其多通道模拟多路开关AM3和AM4输出端均选通接入积分电路。

优选的，比较电路包括三角波与锯齿波比较电路和逻辑选择比较电路，三角波与锯齿波比较电路输入端和积分电路和三角波发生电路，三角波与锯齿波比较电路输出端连接占空比检测计算电路、多通道模拟多路开关AM3和AM4输入端，逻辑选择比较电路输出端与多通道模拟多路开关AM1输入端连接。

优选的，称重传感器的输入激励信号EXC+、EXC-分别与信号采样测量电路的电源连接。

优选的，占空比检测计算电路采用微控制器。

一种基于上述任意一项所述电路的基于称重传感器的模拟信号采样测量方法，包括以下过程：

称重传感器输出差分模拟信号SIG+和SIG-经过多通道模拟多路开关AM1后，选通交错差分信号接入差分放大电路进行差分放大，差分放大后的信号经过多通道模拟多路开关AM2后选通交错差分放大后的方波信号，再进入积分电路，与经过多通道模拟多路开关AM3和AM4选通接入的反馈信号积分产生锯齿波，积分电路产生的锯齿波进入比较电路，比较锯齿波和三角波信号产生两路占空比不同的方波信号进入占空比检测计算电路进行占空比差值的计算，通过占空比的差值特征描述称重传感器输出差分模拟信号的变化特征。

优选的，两路占空比不同的方波信号的占空比差值为：

式中T2为方波信号周期，ton1为第一路方波信号一个周期的高电平持续时间，ton2为第二路方波信号一个周期的高电平持续时间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

信号采样测量电路的供电电源受实际工况影响难以避免会发在波动，称重传感器输出差分信号受到激励信号影响，因此其输出一定会伴随误差，以及环境温度、压强变化造成的漂移误差，经过差分放大后A/D采样转换精度受到影响。本发明通过模拟多路开关以一定频率交错反转差分信号，并且将称重传感器反馈信号引入积分电路形成闭环，可以有效消除上述误差。通过占空比检测计算电路，能够计算同一时刻两路差分信号转换为方波信号占空比的差值，准确描述称重传感器的模拟信号实时变化特征。降低了使用A/D集成转换芯片的成本，具有检测精度高、成本低、实时性好等优点。

附图说明

图1是本发明的电路示意图；

图2为本发明的单元连接示意图；

图3为本发明的称重传感器模拟信号放大调理图；

图4为本发明的占空比信号调制图。

其中：101.称重传感器，102.多通道模拟多路开关，103.差分放大电路，104.积分电路，105.比较电路，106.三角波发生电路，107.微控制器，201.称重传感器模拟信号输入单元，202.模拟多路开关单元，203.差分放大单元，204.积分单元，205.比较单元，206.三角波发生单元，207.占空比检测计算单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，为本发明所述基于称重传感器的模拟信号采样测量电路，其中称重传感器101的激励信号EXC+、EXC-分别与信号采样测量电路的电源VCC、VSS连接。反馈信号SEN+、SEN-分别与多通道模拟多路开关102-AM3的X5、Y5端口以及102-AM4的X6、Y6端口连接，通过Z5、Z6端口选通接入积分电路104-IU。屏蔽信号SHLD与称重传感器外壳相连。输出差分模拟信号SIG+、SIG-经过滤波后分别与多通道模拟多路开关102-AM1的X1、Y1，X2、Y2端口连接，通过Z1、Z2端口选通交错差分信号接入差分放大电路103-DAC。差分放大后的信号经过差分放大电路103-DAC的输出端口OP1、OP2与多通道模拟多路开关102-AM2的X3、Y3，X4、Y4端口连接，通过Z3、Z4端口选通交错差分放大后的方波信号。放大后的差分信号经过滤波后接入积分电路104-IU，与经过多通道模拟多路开关102-AM3、102-AM4选通接入的反馈信号积分产生锯齿波。积分电路产生的锯齿波经过ZW1、ZW2端口接入比较电路105-STCU，比较锯齿波和三角波信号产生两路占空比不同的方波信号通过SW1、SW2端口分别接入微控制器107-MCU。其中，三角波发生电路106-TW由微控制器107-MCU控制产生与锯齿波同频率的三角波信号通过TW端口接入比较电路105-STCU。微控制器107-MCU通过检测两路方波信号的占空比并计算其差值进行测量称重传感器输出模拟信号的大小。微控制器107-MCU输出信号SK接入比较电路105-LCCU进行逻辑比较输出控制多通道模拟多路开关102-AM1的同相选通信号SK1。

以102-AM1为例，表1说明了多通道模拟多路开关选通信号与逻辑选择信号的关系。逻辑选择信号为低(L)时，Z1、Z2分别选通X1、X2，逻辑选择信号为高(H)时，Z1、Z2分别选通Y1、Y2。

表1

SK1	Z1	Z2
			L	X1	X2
H	Y1	Y2

如图2所示，为本实施例与电路对应的单元连接示意图，包括称重传感器模拟信号输入单元201、模拟多路开关单元202、差分放大单元203、积分单元204、比较单元205、占空比检测计算单元207、三角波发生单元206。其中，称重传感器模拟信号输入单元201的激励信号EXC+、EXC-分别与信号采样测量电路的电源连接；称重传感器模拟信号输入单元201输出差分模拟信号SIG+、SIG-经过滤波后分别与模拟多路开关单元202输入端连接，通过输出端选通交错差分信号分别接入差分放大单元203输入端；差分放大后的信号经过差分放大单元203的输出端与模拟多路开关单元202输入端连接，通过输出端选通交错差分放大后的方波信号；放大后的差分信号经过模拟多路开关单元202输出端滤波后连接积分单元204，称重传感器模拟信号输入单元201的反馈信号SEN+、SEN-分别与模拟多路开关单元202输入端连接，其输出端选通接入积分单元204，完成信号闭环，产生锯齿波；占空比检测计算单元207IO接口连接三角波发生单元206输入端，控制产生与锯齿波同频率的三角波；积分单元204与三角波发生单元206的输出端分别连接比较单元205，比较锯齿波和三角波信号产生两路占空比不同的方波信号通过比较单元205输出端与占空比检测计算单元207IO接口连接。

称重传感器模拟信号输入单元201的反馈信号SEN+、反馈信号SEN-接口通过模拟多路开关单元202选通，作为积分单元204反馈输入分别与积分单元204连接。积分单元204通过引入称重传感器的反馈信号形成闭环，可以消除加载在称重传感器的实际电压偏移与波动造成的称重传感器差分模拟信号输出误差，积分单元204将放大后的差分信号转换为锯齿波信号输入到比较单元205。

比较单元205分为三角波与锯齿波比较单元205、逻辑选择比较单元205，三角波与锯齿波比较单元205比较三角波和锯齿波输出方波，逻辑选择比较单元205输出方波逻辑选择信号控制模拟多路开关选通。

模拟多路开关单元202由多通道模拟多路开关集成元件(如HEF4053B)组成，通过逻辑选择信号控制模拟多路开关选通。差分放大单元203前后模拟多路开关的逻辑选择信号由占空比检测计算单元207控制，积分单元204接入称重传感器信号的模拟多路开关的逻辑选择信号由比较单元205输出方波信号控制。

占空比检测计算单元207通过检测方波信号中高电平信号占整个信号周期的百分比确定信号占空比，可以采用现场可编程门阵列等MCU进行同步采集并计算比较单元205产生的两路方波信号占空比差值。当称重传感器模拟信号输入单元201输出模拟信号SIG+、SIG-电压差为零时，经过信号调理后的两路方波信号占空比均为50％，其差值为零；当称重传感器模拟信号输入单元201输出模拟信号SIG+、SIG-存在电压差时，经过信号调理后的两路方波信号占空比必然存在差值。

其差值有：

式中T2为方波信号周期，ton1为第一路方波信号一个周期的高电平持续时间，ton2为第二路方波信号一个周期的高电平持续时间。将两路方波信号占空比的差值量程与称重传感器差分模拟信号电压量程一一对应，即可通过两路方波信号占空比的差值特征描述称重传感器输出差分模拟信号的变化特征。

从图2中可以看出称重传感器模拟信号从201称重传感器模拟信号输入单元流向202模拟多路开关单元。模拟多路开关单元将差分信号交错选通转换为方波信号流向203差分放大单元。差分放大后的方波信号再流向202模拟多路开关单元再次交错选通转换为放大后的差分信号。207占空比检测计算单元控制206三角波发生单元产生一定频率的三角波信号。204积分单元的锯齿波信号与206三角波发生单元的三角波信号流向205比较单元，通过比较锯齿波信号和三角波信号产生方波信号，同时207占空比检测计算单元控制205比较单元输出逻辑选择方波信号流向202模拟多路开关单元。放大后的差分信号与比较单元输出的逻辑选择信号通过202模拟多路开关单元一同流向204积分单元进行积分产生锯齿波，完成信号闭环。

图3、4为本发明的称重传感器模拟信号放大调理图和占空比信号调制图。称重传感器输出差分模拟信号SIG+、SIG-电平分别为H1、L1，多通道模拟多路开关102-AM1以1/T1的频率交错反转将SIG+、SIG-信号转为方波信号Z1、Z2，其高、低电平为H1、L1。差分放大后的方波信号为OP1、OP2，其高、低电平为H2、L2。多通道模拟多路开关102-AM2以1/T1的频率交错反转差分放大后的方波信号OP1、OP2滤波后转换为放大后的差分信号DW1、WD2，其高、低电平为H3、L3。多通道模拟多路开关102-AM1、102-AM2的逻辑选择信号为SK1，102-AM3、102-AM4的逻辑选择信号分别为SK2、SK3。多通道模拟多路开关102-AM3、102-AM4的选通信号为Z5、Z6，其高、低电平分别为反馈信号SEN+、SEN-。放大后的差分信号DW1、DW2与选通信号Z5、Z6输入积分电路105-IU得到ZW1、ZW2的锯齿波信号，两路信号峰值电平分别为H4、L4，H5、L5。微控制器107-MCU控制106-TW三角波发生电路以1/T2的频率控制输出三角波信号TW，高、低电平分别为H6、L6。锯齿波信号ZW1、ZW2分别与三角波信号TW通过106-STCU比较电路比较。0-t4时刻锯齿波信号ZW1大于三角波信号TW的A点，106-STCU比较电路输出信号SW1为高电平H；t4-t5时刻三角波信号TW大于锯齿波信号ZW1，106-STCU比较电路输出信号SW1为低电平L。0-t3时刻锯齿波信号ZW2大于三角波信号TW的B点，106-STCU比较电路输出信号SW2为高电平H；t3-t5时刻三角波信号TW大于锯齿波信号ZW2，106-STCU比较电路输出信号SW2为低电平L。微控制器107-MCU采集并计算可得SW1、SW2方波信号的占空比差值，以此描述称重传感器输出模拟差分信号的特征，并进行称重传感器模拟信号的测量。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于称重传感器的模拟信号采样测量电路，其特征在于，包括称重传感器（101）、多通道模拟多路开关AM1、多通道模拟多路开关AM2、多通道模拟多路开关AM3、多通道模拟多路开关AM4、差分放大电路（103）、积分电路（104）、比较电路（105）、占空比检测计算电路和三角波发生电路（106）；

称重传感器（101）输出差分模拟信号SIG+和SIG-分别与多通道模拟多路开关AM1输入端连接，多通道模拟多路开关AM1输出端与差分放大电路（103）输入端连接；差分放大电路（103）的输出端与多通道模拟多路开关AM2输入端连接，多通道模拟多路开关AM2输出端依次连接积分电路（104）、比较电路（105）、占空比检测计算电路和三角波发生电路（106），三角波发生电路（106）的输出端连接比较电路（105）输入端；称重传感器（101）反馈信号SEN+和SEN-分别与多通道模拟多路开关AM3和多通道模拟多路开关AM4输入端连接，多通道模拟多路开关AM3和多通道模拟多路开关AM4输出端均选通接入积分电路（104）；

比较电路（105）包括三角波与锯齿波比较电路结构和逻辑选择比较电路结构，三角波与锯齿波比较电路结构输入端和积分电路（104）和三角波发生电路（106）连接，三角波与锯齿波比较电路结构输出端连接占空比检测计算电路、多通道模拟多路开关AM3和多通道模拟多路开关AM4输入端，逻辑选择比较电路结构输出端与多通道模拟多路开关AM1输入端连接；

称重传感器（101）的输入激励信号EXC+、EXC-分别与信号采样测量电路的电源连接。

2.根据权利要求1所述的基于称重传感器的模拟信号采样测量电路，其特征在于，占空比检测计算电路采用微控制器（107）。

3.一种基于权利要求1-2任意一项所述模拟信号采样测量电路的基于称重传感器的模拟信号采样测量方法，其特征在于，包括以下过程：

称重传感器（101）输出差分模拟信号SIG+和SIG-经过多通道模拟多路开关AM1后，选通交错差分信号接入差分放大电路（103）进行差分放大，差分放大后的信号经过多通道模拟多路开关AM2后选通交错差分放大后的方波信号，再进入积分电路（104），与经过多通道模拟多路开关AM3和多通道模拟多路开关AM4选通接入的反馈信号积分产生锯齿波，积分电路（104）产生的锯齿波进入比较电路（105），比较锯齿波和三角波发生电路（106）产生的三角波信号产生两路占空比不同的方波信号进入占空比检测计算电路进行占空比差值的计算，通过占空比差值特征描述称重传感器（101）输出差分模拟信号的变化特征。

4.根据权利要求3所述的基于称重传感器的模拟信号采样测量方法，其特征在于，两路占空比不同的方波信号的占空比差值为：

，

式中T2为方波信号周期，ton1为第一路方波信号一个周期的高电平持续时间，ton2为第二路方波信号一个周期的高电平持续时间。