对基于力敏元件的天平系统偏移进行补偿的电路

对基于力敏元件的天平系统偏移进行补偿的电路

设计电阻桥式传感器与5V单电源供电的ADC之间的接口是一个新的挑战。有些应用需要输出电压在0V到满量程电压（如4.096V）之间以高精度波动。对大多数单电源仪表放大器，当输出信号接近0V、接近单电源低输出摆幅限制时，会出现问题。一个好的单电源仪表放大器可在接近于单电源地电压的范围内摆动,即使有真正的满摆幅输出，也不能达到地电压。

　　在本应用中，传感器是一个精密的力敏元件，其额定负载为5kg，即约11磅。在铝盘上测重大约为150g的物体，即大约5盎司。由于铝盘自重，即使没有任何物体称重，仪表放大器的输出信号也不能低到0V。现在，问题是如何补偿仪表放大器的输出偏移电压和铝盘本身产生的电压。

　　软件弥补系统偏移是最简单的方法。在加电期间，铝盘上没有称重物体，系统可以获取偏移电压，并将数据记录在微控制器内存中。随后，当有物体称重时，从获得的数据中减去它即可。但是，这种做法不能达到天平的5kg满量程，仅能达到4.85kg。

　　本设计实例说明如何利用微控制器实现硬件补偿。当加电后，运行软件程序复位系统偏移。解决方案如图1所示，基于四个来自Linear Technology公司IC的简 单电路。精密电压基准IC1，有高达50mA的最小输出电流。它提供4.096V输出电压驱动力敏元件，并设置12位ADC（IC3）的满量程范围。高精度仪表放大器LT1789-1（IC2）的特点是在0℃~70℃温度范围内，最大输入失调电压为150mV，满摆幅输出电压相对地电压110mV范围内摆动时，最大输入失调偏移电压是0.5mV/℃。通过精密电阻R2 （阻值为500Ω）设定增益，当称重是5kg时，输出范围为4.096V，其最大输入信号是VCC×S=4.096V×2mV/V=8.192mV，这里 S是该传感器的灵敏度。

　　双通道DAC（IC4）的DAC_A输出在仪表放大器参考引脚处提供200mV的参考电压，以避免放大器本身地饱和，但传输特性不是线性关系。放大器最坏情况下输出偏移是：VREF+VPAN±VOFFSET=200mV+125mV±500×150mV= 325mV±75mV=250mV/400mV，这里VPAN=125mV，是铝盘自重产生的电压值。

　　因此系统输出偏移是250mV 到400mV。加电后，微控制器运行一个程序设置DAC_A输出为200mV，同时，增加双通道DAC（IC4）的DAC_B输出直到等于ADC （IC3）管脚2上的系统偏移，转换结果就是000h。这一结果是可能的，因为IC4包含两个12位2.5V满量程电压的DAC，最低有效位（LSB）等于0.61mV，小于分辨率为1mV的IC3。这个数字相当于该天平的分辨率：5000g/4096=1.22g。当最大负载5kg时，仪表放大器的最大输出电压是4.096V + VOUT_TOTAL_OFFSET_INA = 4.346V/4.496V，低于4.62V高饱和状态下温度的最坏情况。

　　IC3有一个单极差分输入，所以可以从+IN输入电压中减去一个恒定电压值等于IC4的DAC_B提供的系统偏移。在第一个半时钟周期内，ADC采样和保持正向输入电压。这阶段结束，或在采集时间内，输入电容切换到负输入并开始转换。在IC3输入端的RC输入滤波器的时间常数为0.5ms，允许正负输入电压采用最高为200kHz时钟频率在转换时间的第一时钟周期内达到12位精度。如果想增加时间常数，必须采用较低时钟频率。

　　此外，DAC和ADC有一个三线串行接口，可方便地将数据传输到最高采样率为12.5kS/s的宽范围微控制器。当ADC处于没有转换的时候，它会自动把功率降至1nA的电源电流，而且如果微控制器通过其引脚3来关闭 IC1，电路限制电源电流在最坏情况下仅为1mA，因为所有的IC集成电路都是微功耗的。