CN210719389U - 自动定量秤中称重传感器用高精度低纹波电源电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自动定量秤中称重传感器用高精度低纹波电源电路，涉及电子电路领域，该高精度低纹波电源电路包括初级电源电路和次级电源电路，初级电源电路输出的高纹波普通正负电压并不直接输出给称重传感器，而是输出给次级电源电路进行供电，次级电源电路利用了高精度高稳定超低温漂的电压基准芯片，同时结合超高精度超低噪声运算放大器组成的比较电路，再引入了二级计量标准高精度电阻，从而可以产生正负对称的5V电源提供给称重传感器，精度高、稳定性好、成本低、基本不增体积，在满足自动定量秤的体积要求的基础上实现超低温漂、超低纹波和超高精度，满足称重传感器使用需要，有利于提高自动定量秤的精度和稳定性。

Description

自动定量秤中称重传感器用高精度低纹波电源电路

技术领域

本实用新型涉及电子电路领域，尤其是一种自动定量秤中称重传感器用高精度低纹波电源电路。

背景技术

自动定量秤主要包括称重传感器和称重控制器，称重控制器可以通过称重传感器感知灌装对象的实时重量，从而对给料过程进行实时控制。自动定量秤中的称重传感器本质是一个应变电阻组成的桥式电阻电路，称重传感器是一个弹性刚体，在受到重力影响后，会做出有规则的弹性形变，从而让应变电阻桥产生电阻差，通过对电阻桥加载激励电源可以将这个电阻差转化为电压差，最终对外输出给称重控制器。这里主要涉及两个关键技术：

1、称重传感器弹性形变和应变电阻桥电阻变化的线性和精度。也即当重量施加于称重传感器时，称重传感器的弹性形变引起埋设在称重传感器内部的应变电阻片的阻值产生变化，而且这是线性变化。这个技术由称重传感器厂家负责实现，目前基本上，最普通的称重传感器可以实现C3基本精度，即在其标注的量程内，可以实现3000个分度要求，同时精度要求可以达到万分之二。

2、目前现有的称重传感器都会标明一个参数，即灵敏度，一般是mV/V。以最普遍的(2.000+/-0.002)mV/V为例，注意其有效位数在uV上。其详细含义是，如果给传感器的激励电源EXC绝对值是10V电压(可以是+/-5V，也是是单边10V)，那么满量程时，称重传感器输出就是20.000mV，如果这个称重传感器是250kg的传感器，那么对应于kg的话，每公斤就是输出0.080mV，即80uV。这是一个非常精密的数字，在微伏(uV)级别上(1V的百万分之一)上。但是这还只是1kg对应的电压输出，对于自动定量秤50g～100g之间的精度分辨要求，其输出电压就更加小，基本在几个到十几个微伏(uV)的级别上。所以这个就要求给称重传感器提供的激励电源EXC要非常精密和稳定，尤其是纹波系数要非常小，最好也是微伏级别的。

为了实现给称重传感器提供高精度高稳定的激励电源，一般的做法是采用电源滤波，尤其是采用多级滤波，但是受限于自动定量秤的体积，这个多级滤波一般只能把电源纹波系数降低到几个毫伏级(1个毫伏＝1000个微伏)，还不能达到uV基本的要求。如果要继续降低纹波噪声，滤波电路要做的很大，导致称重传感器激励电源体积过大，在自动定量秤行业基本不能用。另外，这种做法也很难满足精度要求，一般只能达到1％的精度，即给出10V激励电压时一般给出是10V+/100mV。同时，这一类称重传感器传统激励电源温漂也比较大，一般都需要开机预热稳定后，才能进行高精度称重，而且由于温度变化，要经常对自动定量秤进行标定，这也是光增加电源滤波无法解决的。

实用新型内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种自动定量秤中称重传感器用高精度低纹波电源电路，本实用新型的技术方案如下：

一种自动定量秤中称重传感器用高精度低纹波电源电路，该高精度低纹波电源电路包括初级电源电路和次级电源电路；初级电源电路基于稳压集成块，初级电源电路的输入端连接供电电源，初级电源电路的正输出端和负输出端均连接至次级电源电路进行供电；

次级电源电路包括电压基准芯片，电压基准芯片的输入引脚连接初级电源电路的正输出端，电压基准芯片的接地引脚连接次级电源电路的参考地，电压基准芯片的输出引脚连接第一运算放大器的同相输入端，第一运算放大器的正供电端连接初级电源电路的正输出端，第一运算放大器的负供电端连接初级电源电路的负输出端；第一运算放大器的输出端连接NPN三极管的基极，NPN三极管的发射极连接第一运算放大器的反相输入端，NPN三极管的集电极连接初级电源电路的正输出端；NPN三极管的发射极还依次连接第一电阻和第二电阻后连接PNP三极管的发射极，第一电阻和第二电阻的阻值相同，PNP三极管的集电极连接初级电源电路的负输出端；PNP三极管的基极连接第二运算放大器的输出端，第二运算放大器的同相输入端连接次级电源电路的参考地，第二运算放大器的反相输入端连接第一电阻和第二电阻的公共端；第二运算放大器的正供电端连接初级电源电路的正输出端，第二运算放大器的负供电端连接初级电源电路的负输出端；

NPN三极管的发射极作为高精度低纹波电源电路的正激励端连接称重传感器的正供电端，NPN三极管的发射极还分别通过第一电容和第二电容接次级电源电路的参考地；PNP三极管的发射极作为高精度低纹波电源电路的负激励端连接称重传感器的负供电端，PNP三极管的发射极还分别通过第三电容和第四电容接次级电源电路的参考地。

其进一步的技术方案为，电压基准芯片采用REF02芯片实现。

其进一步的技术方案为，第一电阻和第二电阻均采用二级计量精度高精密电阻实现。

其进一步的技术方案为，高精度低纹波电源电路的温漂在10ppm/℃以下、纹波在20uV以下、精度为±0.5％。

其进一步的技术方案为，电压基准芯片、第一运算放大器和第二运算放大器的尺寸分别为4mmx4mm，NPN三极管和PNP三极管的尺寸分别为2mmx2mm，第一电阻和第二电阻的尺寸分别为2mmx8mm。

本实用新型的有益技术效果是：

本申请公开了一种自动定量秤中称重传感器用高精度低纹波电源电路，该高精度低纹波电源电路可以产生正负对称的5V电源提供给称重传感器，精度高、稳定性好、成本低、基本不增体积，在满足自动定量秤的体积要求的基础上实现超低温漂、超低纹波和超高精度，满足称重传感器使用需要，有利于提高自动定量秤的精度和稳定性。

另外，本申请的高精度低纹波电源电路给称重传感器提供的是正负电源，施加到称重传感器上后，称重传感器输出的信号是正负极性信号，可以实现与高分辨率差分A/D转换器对接，避免了中间运算放大器的转换，因此也有助于简化自动定量秤中其余电路结构。

附图说明

图1是本申请公开的高精度低纹波电源电路的初级电源电路的电路图。

图2是本申请公开的高精度低纹波电源电路的次级电源电路的电路图

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种自动定量秤中称重传感器用高精度低纹波电源电路，该高精度低纹波电源电路包括初级电源电路和次级电源电路，初级电源电路的输入端J2连接供电电源，初级电源电路基于稳压集成块构成，本申请采用稳压集成块7808和7809，请参考图1所示的电路图，本申请对该常规电路不详细介绍。初级电源电路用于对输入的供电电源进行处理并输出一对正负对称的电压，在本申请中，初级电源电路通过正、负输出端输出高纹波普通+8V电源和-8V电源，初级电源电路输出的±8V电源不直接用来作为称重传感器的激励电源，而是作为次级电源电路的供电，也即初级电源电路的正输出端和负输出端均连接至次级电源电路给次级电源电路中的用电部分进行供电。

请参考图2，次级电源电路包括电压基准芯片U1，本申请中的电压基准芯片U1采用REF02芯片实现，REF02是一个高精度、超低温漂、超低噪声的基准电压源，可以实现高输出精度(5V±0.3％)、高温度稳定性(8.5ppm/℃)以及低噪声(15uV峰峰值)。电压基准芯片U1的输入引脚Vin引脚连接初级电源电路的正输出端+8V，电压基准芯片U1的接地引脚GND引脚连接次级电源电路的参考地AGND。电压基准芯片U1的输出引脚VREFOut引脚通过电阻R3连接第一运算放大器U2的同相输入端，电压基准芯片U1的输出引脚VREFOut引脚还通过电容C5接地。在本申请中，电压基准芯片U1的输出引脚VREFOut引脚输出+5V的基准电压。第一运算放大器U2的正供电端连接初级电源电路的正输出端+8V，第一运算放大器U2的负供电端连接初级电源电路的负输出端-8V。第一运算放大器U2的输出端连接NPN三极管Q1的基极，NPN三极管Q1的发射极连接第一运算放大器U2的反相输入端，NPN三极管Q1的集电极连接初级电源电路的正输出端+8V。NPN三极管Q1的发射极还依次连接第一电阻R1和第二电阻R2后连接PNP三极管Q2的发射极。其中，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值相同，为了保证其电阻值绝对相等，本申请中的第一电阻R1和第二电阻R2均采用二级计量精度高精密电阻实现，在本申请中选取R1＝R2＝10kohm。PNP三极管Q2的集电极连接初级电源电路的负输出端-8V，PNP三极管Q2的基极连接第二运算放大器U3的输出端，第二运算放大器U3的同相输入端连接次级电源电路的参考地AGND，第二运算放大器U3的反相输入端连接第一电阻R1和第二电阻R2的公共端。第二运算放大器U3的正供电端连接初级电源电路的正输出端+8V，第二运算放大器U3的负供电端连接初级电源电路的负输出端-8V。

NPN三极管Q1的发射极作为高精度低纹波电源电路的正激励端EXC+连接称重传感器J1的正供电端，NPN三极管Q1的发射极还分别通过第一电容C1和第二电容C2接次级电源电路的参考地AGND。PNP三极管Q2的发射极作为高精度低纹波电源电路的负激励端EXC-连接称重传感器J1的负供电端，PNP三极管Q2的发射极还分别通过第三电容C3和第四电容C4接次级电源电路的参考地AGND。

在次级电源电路中，第一运算放大器U2和第二运算放大器U3可以采用OPA277U实现，第一运算放大器U2和第二运算放大器U3是一对普通的NPN和PNP三极管，其作用是通过这两个三极管把初级电源电路供出的±8V电源在受控模式下供给第一电阻R1和第二电阻R2。初级电源电路供出的+8V电源从NPN三极管Q1引入、-8V电源从PNP三极管Q2引入，+8V电源和-8V电源对第一电阻R1和第二电阻R2供电产生电流，在第一电阻R1和第二电阻R2两端产生压差，由于是同一个电流流过第一电阻R1和第二电阻R2，而且第一电阻R1和第二电阻R2的阻值完全相同，所以第一电阻R1和第二电阻R2两端上形成的压差是相同的，从而自然在第一电阻R1和第二电阻R2之间的连接点上形成了一个虚拟出来的“电压中性点”，第二运算放大器U3的反相输入端即连接该“电压中性点”。从“电压中性点”输出的电压送入到第二运算放大器U3的反相输入端，第二运算放大器U3的同相输入端是次级电源电路的参考地AGND，即0V。当“电压中性点”的电压低于0V时，第二运算放大器U3的输出端就输出0V～+8V电源开通PNP三极管Q2，-8V电源给第二电阻R2供电，电流流过第二电阻R2，在第二电阻R2两端形成压差，流过第二电阻R2的电流大，第二电阻R2两端的压差就大；流过第二电阻R2的电流小，第二电阻R2两端的压差就小。由于第二电阻R2的一端是-8V，所以电流大，“电压中性点”的电压就升高。等到“电压中性点”的电压升高到0V以上时，第二运算放大器U3的反相输入端的信号大于同相输入端的信号，第二运算放大器U3的输出端就输出-8V～0V关闭PNP三极管Q2，流过第二电阻R2的电流减少，使得第二电阻R2两端压差减小，“电压中性点”电压降低，当低于0V时，第二运算放大器U3又转而输出0V～+8V，如此往复，通过第二运算放大器U3组成的比较器把“电压中性点”稳定在0V。

同理，NPN三极管Q1的发射极作为“电压采样点”，其反馈的电压送入到第一运算放大器U2的反相输入端，第一运算放大器U2的同相输入端是电压基准芯片U1给出的基准电压+5V，电压基准芯片U1在本专利中作为一个电压比较器使用，即电压采样点的电压实时与基准电压+5V作比较，当电压采样点的电压低于+5V时，第一运算放大器U2的同相输入端的信号大于反相输入端的信号，第一运算放大器U2输出0V～+8V打开NPN三极管Q1给第一电阻R1供电，电流流过第一电阻R1，在第一电阻R1两端形成压差，流过第一电阻R1的电流大则第一电阻R1两端的压差就打，流过第一电阻R1的电流小则第一电阻R1两端的压差就小，由于第一电阻R1一端是“电压中性点”0V，所以NPN三极管Q1打开加大给第一电阻R1的电流时，“电压采样点”电压就高。但是当这个电压超过基准电压+5V时，第一运算放大器U2输出-8V～0V关闭NPN三极管Q1，减少第一电阻R1上的电流，从而让“电压采样点”的电压降低，但是当“电压采样点”的电压又低于基准电压+5V时，第一运算放大器U2又转而输出0V～+8V打开NPN三极管Q1，如此往复，通过第一运算放大器U2的电压跟随比较器作用，始终把“电压采样点”的电压稳定在同相输入端输入的电压上，而第一运算放大器U2的同相输入端输入的基准电压是一个非常稳定和超低温漂的+5V，所以“电压采样点”，也即高精度低纹波电源电路的正激励端EXC+始终给称重传感器J1的正供电端输出一个高稳定和低温漂的+5V，本申请以+A5V表示。

如上所述，通过第一运算放大器U2和第二运算放大器U3的作用，已经形成了稳定的0V点(电压中性点)和+5V点(电压采样点)，在第一电阻R1两端有一个稳定的5V压差，由于第一电阻R1和第二电阻R2流过的是同一个电流，同时第一电阻R1和第二电阻R2的阻值又相同，所以第一电阻R1两端的压差与第二电阻R2两端的压差相等，电流是从第一电阻R1流向第二电阻R2的，而第一电阻R1和第二电阻R2的互相连接点是电压中性点0V，所以第二电阻R2另外一端作为“电压被动生成点”就形成一个稳定的-5V，从而高精度低纹波电源电路的负激励端EXC-始终给称重传感器J1的负供电端输出一个高稳定和低温漂的-5V，本申请以-A5V表示。

经实测，本申请的高精度低纹波电源电路可以实现超低温漂(10ppm/℃以下)、超低纹波(20uV以下)和超高精度(5V±0.5％)。且该电源电路使用到的电压基准芯片U1、第一运算放大器U2和第二运算放大器U3的尺寸分别为4mmx4mm，NPN三极管Q1和PNP三极管Q2的尺寸分别为2mmx2mm，第一电阻R1和第二电阻R2的尺寸分别为2mmx8mm，所以整个电源电路基本不增加电路体积。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自动定量秤中称重传感器用高精度低纹波电源电路，其特征在于，所述高精度低纹波电源电路包括初级电源电路和次级电源电路；所述初级电源电路基于稳压集成块，所述初级电源电路的输入端连接供电电源，所述初级电源电路的正输出端和负输出端均连接至所述次级电源电路进行供电；

所述次级电源电路包括电压基准芯片，所述电压基准芯片的输入引脚连接所述初级电源电路的正输出端，所述电压基准芯片的接地引脚连接所述次级电源电路的参考地，所述电压基准芯片的输出引脚连接第一运算放大器的同相输入端，所述第一运算放大器的正供电端连接所述初级电源电路的正输出端，所述第一运算放大器的负供电端连接所述初级电源电路的负输出端；所述第一运算放大器的输出端连接NPN三极管的基极，所述NPN三极管的发射极连接所述第一运算放大器的反相输入端，所述NPN三极管的集电极连接所述初级电源电路的正输出端；所述NPN三极管的发射极还依次连接第一电阻和第二电阻后连接PNP三极管的发射极，所述第一电阻和第二电阻的阻值相同，所述PNP三极管的集电极连接所述初级电源电路的负输出端；所述PNP三极管的基极连接第二运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的同相输入端连接所述次级电源电路的参考地，所述第二运算放大器的反相输入端连接所述第一电阻和第二电阻的公共端；所述第二运算放大器的正供电端连接所述初级电源电路的正输出端，所述第二运算放大器的负供电端连接所述初级电源电路的负输出端；

所述NPN三极管的发射极作为所述高精度低纹波电源电路的正激励端连接称重传感器的正供电端，所述NPN三极管的发射极还分别通过第一电容和第二电容接所述次级电源电路的参考地；所述PNP三极管的发射极作为所述高精度低纹波电源电路的负激励端连接所述称重传感器的负供电端，所述PNP三极管的发射极还分别通过第三电容和第四电容接所述次级电源电路的参考地。

2.根据权利要求1所述的高精度低纹波电源电路，其特征在于，所述电压基准芯片采用REF02芯片实现。

3.根据权利要求1所述的高精度低纹波电源电路，其特征在于，所述第一电阻和第二电阻均采用二级计量精度高精密电阻实现。

4.根据权利要求1所述的高精度低纹波电源电路，其特征在于，所述高精度低纹波电源电路的温漂在10ppm/℃以下、纹波在20uV以下、精度为±0.5％。

5.根据权利要求1所述的高精度低纹波电源电路，其特征在于，所述电压基准芯片、第一运算放大器和第二运算放大器的尺寸分别为4mmx4mm，所述NPN三极管和PNP三极管的尺寸分别为2mmx2mm，所述第一电阻和所述第二电阻的尺寸分别为2mmx8mm。

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