微型称重测力传感器信号调理电路设计

李萌萌，宁 祎，王 统

（河南工业大学 机器人研究所，郑州 450007）

0 引言

经过多年的发展，压力传感器已成为一种工业和医疗检测的重要器件。压力传感器应用广泛：用在井下压力信息采集、医疗检测、直射武器立靶密集度测量、工业现场称重和两足外骨骼机器人足底压力测量[1～3]等方面。压力传感器采用电桥式电路结构，具有优良的线性度和灵敏度，及很好的温度补偿性能。但一个微应变电桥输出只有2mV左右，即使在满载情况下，应变片的最大输出也只有数10mV[4]，使信号的A/D转换受限，不能良好的完成信号采集工作。因此，需要对压力传感器输出的信号进行有效放大和调理。

本文使用增益可编程，单电源供电，双端输入单端输出及高共模抑制比的仪表放大器AD623，设计完成信号调理电路，把微弱直流电压信号放大到数百毫伏甚至更高，以满足A/D采集要求。

1 信号调理电路设计

实际应用中，传感器信号调理电路设计必须考虑三项主要内容：1）针对传感器本身的特性设计恒流源或恒压源,即电流（或电压）不受传感器输入负载变化的影响,使传感器输出特性只与被测量有关；2）根据传感器的输出特性,设计信号放大与增益可控电路,以满足信号采集与处理的要求,即信号便于与A/D转换器接口；3）设计滤波电路[5]。

本文所设计的信号调理电路主要由压力传感器和信号调理模块组成，其中信号调理模块由+5V电源模块、滤波电路及AD623等器件组成。信号调理电路框图如图1所示。

图1 信号调理电路框图

2 模块设计

2.1 电源模块

本研究中所采用的压力传感器是不锈钢材质，外形尺寸结构微小，适用于各种微小空间检测。其直流供电电压范围是+5V～+10V。仪表放大器AD623单电源供电电压范围是+3V～+12V。本设计采用LM2931电压校准模块为压力传感器和AD623提供+5V精准供电电压。LM2931有不同型号，分为固定电压输出和可调电压输出，有非常低的静态电流，输出电流超过100mA，有短路保护。本设计采用输出固定电压为+5V的LM2931AM-5设计完成+5V电源模块。为了保持电压稳定性，针对电源模块的输入和输出都加了去耦电容，其中电源输出端电容值至少为100μF。+5V电源模块设计如图2所示。

图2 电源模块电路

2.2 放大电路模块

压力传感器有其特定的参数。若要压力传感器输出信号与A/D转换器接口相匹配，首先要根据压力传感器的分度值确定A/D转换器的位数。压力传感器参数如表1所示。

表1 压力传感器参数

注：si为压力传感器i的载荷灵敏度，fimax为压力传感器i的额定量程，us为压力传感器i的电源电压，mimin为压力传感器i能够分辨的最小载荷量，vic为压力传感器i的共模电压，vid为压力传感器i的差模电压。

压力传感器额定量程为75Kg，最小称量200g，那么其分度值A=75Kg/200g=375，因此A/D转换器的位数至少需要9位。本研究所用A/D转换器是S12系列单片机型号MC9S12XDP512（以下简称XDP512）的ATD模块，其转换位数有8位和10位可选，这里选择10位转换。

确定转换位数后，要根据压力传感器的参数和XDP512单片机ATD的输入性能确定电路的增益值。这要求正确分析仪表放大器AD623的结构和应用。AD623的结构简图如图3所示。AD623是两级放大结构，第一级为两个输入运放U1和U2按同相输入接法组成，第二级为一个输出运放U3组成差分放大电路。在第一级电路中，压力传感器输出的正信号和负信号分别加在AD623的同相端和反相端。AD623与传统三运放结构仪表放大器的不同之处是在两个输入运放之前分别加两个PNP晶体管作为电压缓冲器，以便向两个输入运放提供共模信号，并且符合电源限输入运放电路结构的要求。输出运放用来将差动电压转换成单端电压，它还对前面两个输入运放输出的共模信号起到抑制作用，有益于改善整个电路的性能。两级放大最终的增益值可由公式：计算出。其中，G为增益值，RG为跨接在第1引脚和第8引脚之间的电阻。当1脚和8脚之间不接电阻时，AD623实现单位增益。AD623可实现的增益范围是[1,1000]。

图3 AD623结构简图

定义Uimin为压力传感器在最小载荷量作用下的输出，Uimin由式（1）：

计算出，为26.67μV。XDP512的ATD模块，采用10位转换，其能够分辨的最小电压uinmin由式（2）：

计算出。式中VREF为ATD的参考电压，其范围是0～+5V，这里选择VREF为+5V，则uinmin为4.89mV。由以上分析可看出，如果信号不放大，A/D转换器将不能识别Uimin。因此必须对压力传感器的输出电压放大。其最小放大倍数Aumin由式（3）：

计算出，为500。因此，压力传感器输出信号增益范围是[183.40,500]。综合考虑AD623的性能及放大电路的稳定性,设置放大电路增益值为238，则根据公式反求出电阻RG的大小为421.9Ω，取标称阻值422Ω，这确定了放大电路模块的增益电阻值参数。

2.3 滤波电路

为了抑制RF干扰信号，在压力传感器的信号输出端，即仪表放大器AD623的信号输入端设计了RC低通滤波器，如图4所示。为了使AD623获得稳定电压，在AD623的正电源端加了去耦电容，0.1μF的陶瓷电容和10μF的钽电解电容并联。

XDP512 单片机ATD 的采样频率可以在28KHz～500KHz范围内选择，单片机总线时钟频率设置为8MHz，对其12分频，得到ATD时钟频率667K，ATD采样频率设置为67K。为了在获得良好滤波效果的同时能够满足采样定理，设计低通滤波器的截止频率为fc=9.7K。图4中，R1与C3（同样，R2与C4）组成低通滤波器。因为fc=1/2πR1C3，选电阻R1为91K，则计算出C3容值为180pF。91K电阻足够大，能够有效隔离来自电容电路的输入，同时带来的电路噪声影响也很微小。为了保持放大器的共模抑制能力，电容C3与C4的容许误差需要达到5%或更好。R1/R2与C3/C4组成了桥式电路，它们的输出穿过放大器的输入，C3和C4有任何不匹配，都将使桥路不平衡，并降低共模抑制能力。所以R1与R2相等，C3与C4相等，使桥式电路对称，获得良好滤波效果的同时，又不降低电路的共模抑制能力。

电容C5用来保持低频段共模抑制能力，保证所有的RF信号都是共模的，同时又不差分放大这些信号。R1+R2和C5组成了第二个低通滤波网络。这个低通滤波电路的截止频率约为10.66K。

3 仿真分析

图4 放大与滤波电路

Multisim是美国国家仪器公司（NI）推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。电路仿真软件Multisim拥有庞大的元器件库，具有强大的虚拟仪器功能。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。本设计采用Multism13仿真软件，对所设计的放大电路进行仿真，仿真电路如图5所示。V2和V3模拟压力传感器输出的直流差分电压信号，万用表XMM1用来显示放大电路的输出电压，所选电容容许误差为5%，所选增益电阻为1%精度的金属膜电阻。因为AD623的第5引脚参考端接地，放大电路的输出电压就等于压力传感器输出的差分信号实际被放大的电压。手动更改V2和V3的差分电压值，从1mV～10mV共10组值，观察万用表的数字值，并记录，制成增益表，如表2所示。

表2 增益表

由表2知，增益与所设计的增益238最大相差0.993%，最小相差0.042%。由AD623的特性可知，增益增大，其增益误差也增大，G＞1时，增益误差推荐为0.35%。考虑到本设计增益为238，远大于1倍增益，增益误差在0.042%～0.993%范围内是可接受的。

4 结束语

针对双足步行机器人用某微型称重测力传感器设计了以AD623为核心的信号调理电路，单电源供电，一个增益电阻完成放大，减少了元器件的使用数量，减小了电路板的设计尺寸，便于足底安装。对主要电路放大电路进行了仿真试验。结果表明，所设计电路增益误差为0.042%～0.993%，能够对微弱直流电压信号进行有效放大，满足微控制器XDP512单片机A/D转换器信号采集要求。

[1]李思颖,张正元,汤杰,等.一种单片集成压力传感器信号调理电路的设计[J].微电子学.2014,44(1)：78-80.

[2]周娟,袁良豪,曹德森,等.压力传感器信号调理电路设计[J].北京生物医学工程.2007,26(4)：395-398.

[3]曹恒,孟宪伟,凌正阳,等.两足外骨骼机器人足底压力测量系统[J].传感技术学报.2010,23(3)：326-330.

[4]周静,田文鹤.压力传感器信号调理模块的设计与实现[J].仪表技术与传感器,2011,1：11-12.

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[6]康华光.电子技术基础-模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2006.