任务一称重传感器.docx
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任务一称重传感器
任务五电子秤的设计
一、认识称重传感器
称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置,被喻为电子秤的心脏部件,它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。
通常称重传感器产生的误差约占电子秤整机误差的50%~70%。
若在环境恶劣的条件下(如高低温、湿热),传感器所占的误差比例就更大,因此,在人们设计电子秤时,正确地选用称重传感器非常重要。
1.常用各种称重传感器
称重传感器的种类很多,根据工作原理来分常用的有以下几种:
电阻应变式、电容式、压磁式。
电阻应变式称重传感器:
是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上,然后以适当方式组成电桥的一种将力(重量)转换成电信号的转换元件。
电容式称重传感器:
是把被称物体重量转换为电容器容量变化的一种传感器,它是以各种不同类型的电容量作为转换元件,实际是一个具有可变参数的电容器。
电容式传感器由于它存在输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对灵敏度和称重精度的影响、传感器联接电路比较复杂等原因,直接影响到它的可靠性,所以限制了它的应用。
近些年来由于集成电路特别是微处理技术的发展,可将电子线路紧靠传感器的极板以减小电缆分布电容的影响,并可利用微处理技术对电容式传感器的温度特性和非线性进行补偿,所以电容式传感器在电子称重技术中的应用又得到了重视,在国内已出现了可与电阻应变式传感器电子秤准确度相比的电容式台秤和电容式吊秤等产品。
压磁式称重传感器:
也称磁弹性传感器,它是一种力-电转换的无源传感器。
它的工作原理是利用压磁效应,将被称重量的变化变换成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号。
压磁传感器具有输出信号大、抗干扰性能好、过载能力强、不均匀载荷对测量准确度的影响小、能在恶劣的环境中工作、结构简单便于加工等优点。
缺点是准确度低、反应速度慢。
它常用于冶金、矿山、运输等工业部门的承受大吨位,并要求牢固可靠、安全报警等测力或称重场合。
2.电阻应变式称重传感器
电阻应变式称重传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上,然后以适当方式组成电桥的一种将力(重量)转换成电信号的传感器。
电阻应变式称重传感器包括两个主要部分,一个是弹性敏感元件:
利用它将被测的重量转换为弹性体的应变值;另一个是电阻应变计:
它作为传感元件将弹性体的应变,同步地转换为电阻值的变化。
电阻应变片所感受的机械应变量一般为10-6~10-2,随之而产生的电阻变化率也大约在10-6~10-2数量级之间。
这样小的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出,必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成电压或电流的变化,才能用二次仪表显示出来。
在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。
电阻应变式称重传感器工作原理框图如图1所示:
当传感器不受载荷时,弹性敏感元件不产生应变,粘贴在其上的应变片不发生变形,阻值不变,电桥平衡,输出电压为零;当传感器受力时,即弹性敏感元件受载荷P时,应变片就会发生变形,阻值发生变化,电桥失去平衡,有输出电压。
电阻应变式称重传感器桥式测量电路如图2-2所示:
2-2桥式测量电路
R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻,组成了桥式测量电路,Rm为温度补偿电阻,e为激励电压,V为输出电压。
若不考虑Rm,在应变片电阻变化以前,电桥的输出电压为:
由于桥臂的起始电阻全等,即R1=R2=R3=R4=R,所以V=0。
当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成R+△R1、R+△R2、R+△R3、R+△R4时,电桥的输出电压变为:
通过化简,上式则变为:
也就是说,电桥输出电压的变化与各臂电阻变化率的代数和成正比。
如果四个桥臂应变片的灵敏系数相同,且,
则上式又可写成:
式中K为应变片灵敏系数,ε为应变量。
上式表明,电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。
在电阻应变式称重传感器中,4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位,传感器受力作用后发生变形。
在力的作用下,R1、R3被拉伸,阻值增大,△R1、△R3正值,R2、R4被压缩,阻值减小,△R2、△R4为负值。
再加之应变片阻值变化的绝对值相同,即
△R1=△R3=+△R或ε1=ε3=+ε
△R2=△R4=-△R或ε2=ε4=-ε
因此,
3.称重传感器的主要性能指标:
(1)传感器的输出灵敏度
传感器在额定载荷作用下,供桥电压为1V时的输出电压,单位为(mV/V)。
在任一载荷下,传感器的输出电压=所加载荷×供桥电压×输出灵敏度/额定载荷。
(2)非线性
传感器承受载荷与其相应输出电压之间并非成完全的线性关系,由此而造成的误差称为传感器的非线性误差。
(3)不重复性
在同一环境条件下,对传感器反复施加某载荷时,其每次输出的电压值不尽相同,这种现象称为传感器的不重复性。
(4)零点不平衡输出
在传感器不受任何载荷条件下,传感器输入端以额定的供桥电压时的输出电压,称为零点不平衡输出。
一、概述
TM7705是应用于低频测量的A/D转换器。
该器件可以接受直接来自传感器的低电平的输入信号,然后产生串行的数字输出。
利用Σ-Δ转换技术实现了16位无丢失代码性能。
选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端。
片内数字滤波器处理调制器的输出信号。
通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新速率,从而对数字滤波器的第一个陷波进行编程。
TM7705只需2.7~3.3V或4.75~5.25V单电源。
TM7705是双通道全差分模
拟输入,带有一个差分基准输入。
当电源电压为5V、基准电压为2.5V时,该器
件都可将输入信号范围从0~+20mV到0~+2.5V的信号进行处理。
还可处理
±20mV~±2.5V的双极性输入信号,对于TM7705是以AIN(-)输入端为参考点。
当电源电压为3V、基准电压为1.225V时,可处理0~+10mV到0~+1.225V的
单极性输入信号,它的双极性输入信号范围是±10mV到±1.225V。
因此,TM7705
可以实现2/3通道系统所有信号的调理和转换。
TM7705是用于智能系统、微控制器系统和基于DSP系统的理想产品。
其
串行接口可配置为三线接口。
增益值、信号极性以及更新速率的选择可用串行输
入口由软件来配置。
该器件还包括自校准和系统校准选项,以消除器件本身或系
统的增益和偏移误差。
CMOS结构确保器件具有极低功耗,掉电模式减少等待时的功耗至20μW
(典型值)。
TM7705采用16脚塑料双列直插(DIP)和16脚宽体(0.3英寸)
SOIC封装和16脚TSSOP封装。
二、特点
TM7705:
2个全差分输入通道的ADC
16位无丢失代码
0.003%非线性
可编程增益前端
增益:
1~128
三线串行接口
有对模拟输入缓冲的能力
2.7~3.3V或4.75~5.25V工作电压
3V电压时,最大功耗为1mW
等待电流的最大值为8μA
16脚DIP、SOIC和TSSOP封装
1SCLK
串行时钟,施密特逻辑输入。
将一个外部的串行时钟加于这一
输入端口,以访问TM7705的串行数据。
该串行时钟可以是连
续时钟以连续的脉冲串传送所有数据。
反之,它也可以是非
连续时钟,将信息以小批型数据发送给TM7705
2MCLKIN
为转换器提供主时钟信号。
能以晶体/谐振器或外部时钟的形式
提供。
晶体/谐振器可以接在MCLKIN和MCLKOUT二引
脚之间。
此外,MCLKIN也可用CMOS兼容的时钟驱动,
而MCLKOUT不连接。
时钟频率的范围为500kHz~5MHz
3MCLKOUT
当主时钟为晶体/谐振器时,晶体/谐振器被接在MCLKIN和
MCLKOUT之间。
如果在MCLKIN引脚处接上一个外部时钟,
MCLKOUT将提供一个反相时钟信号。
这个时钟可以用来为外
部电路提供时钟源,且可以驱动一个CMOS负载。
如果用户
不需要,MCLKOUT可以通过时钟寄存器中的CLKDIS位关
掉。
这样,器件不会在MCLKOUT脚上驱动电容负载而消耗
不必要的功率
4
CS
片选,低电平有效的逻辑输入,选择TM7705。
将该引脚接为
低电平,TM7705能以三线接口模式运行(以SCLK、DIN和
DOUT与器件接口)。
在串行总线上带有多个器件的系统中,
可由CS对这些器件作出选择,或在与TM7705通信时,CS
可用作帧同步信号
5
RESET复位输入。
低电平有效的输入,将器件的控制逻辑、接口逻辑、
校准系数、数字滤波器和模拟调制器复位至上电状态
6AIN2(+)[AIN1]对于TM7705,差分模拟输入通道2的正输入端。
7AIN1(+)[AIN2]对于TM7705,差分模拟输入通道1的正输入端。
8AIN1(-)[COMMON]对于TM7705,差分模拟输入通道1的负输入端;
9REFIN(+)
基准输入端。
TM7705差分基准输入的正输入端。
基准输入是
差分的,并规定REFIN(+)必须大于REFIN(-)。
REF
IN(+)可以取VDD和GND之间的任何值
10REFIN(-)
基准输入端。
TM7705差分基准输入的负输入端。
REFIN(-)
可以取VDD和GND之间的任何值,且满足REFIN(+)大于
REFIN(-)
11AIN2(-)[AIN3]对于TM7705,差分模拟输入通道2的负输入端。
12
DRDY
逻辑输出。
这个输出端上的逻辑低电平表示可从TM7705的数
据寄存器获取新的输出字。
完成对一个完全的输出字的读操作
后,DRDY引脚立即回到高电平。
如果在两次输出更新之间,
不发生数据读出,DRDY将在下一次输出更新前500×tCLKIN
时间返回高电平。
当DRDY处于高电平时,不能进行读操作,
以免数据寄存器中的数据正在被更新时进行读操作。
当数据被
更新后,DRDY又将返回低电平。
DRDY也用来指示何时
TM7705已经完成片内的校准序列
13DOUT串行数据输出端。
从片内的输出移位寄存器读出的串行数据由
此端输出。
根据通讯寄存器中的寄存器选择位,移位寄存器可
容纳来自通讯寄存器、时钟寄存器或数据寄存器的信息
14DIN
串行数据输入端。
向片内的输入移位寄存器写入的串行数据由
此输入。
根据通讯寄存器中的寄存器选择位,输入移位寄存器
中的数据被传送到设置寄存器、时钟寄存器或通讯寄存器
15VDD电源电压,+2.7V~+5.25V
16GND内部电路的地电位基准点
十、片内寄存器
TM7705片内包括8个寄存器,这些寄存器通过器件的串行口访问。
第一个是通信寄存器,它管理通道选择,决定下一个操作是读操作还是写操作,以及下
一次读或写哪一个寄存器。
所有与器件的通信必须从写入通信寄存器开始。
上电或复位后,
器件等待在通信寄存器上进行一次写操作。
这一写到通信寄存器的数据决定下一次操作是读
还是写,同时决定这次读操作或写操作在哪个寄存器上发生。
所以,写任何其它寄存器首先
要写通信寄存器,然后才能写选定的寄存器。
所有的寄存器(包括通信寄存器本身和输出
数据寄存器)进行读操作之前,必须先写通信寄存器,然后才能读选定的寄存器。
此外,通
信寄存器还控制等待模式和通道选择,此外DRDY状态也可以从通信寄存器上读出。
第2个寄存器是设置寄存器,决定校准模式、增益设置、单/双极性输入以及缓冲模式。
第3个寄存器是时钟寄存器,包括滤波器选择位和时钟控制位。
第4个寄存器是数据寄存器,器件输出的数据从这个寄存器读出。
最后一个寄存器是校准寄存器,它存储通道校准数据。
下面分别作详细说明。
1.通信寄存器(RS2、RS1、RS0=0、0、0)
通信寄存器是一个8位寄存器,既可以读出数据也可以把数据写进去。
所有与器件的通
信必须从写该寄存器开始。
写上去的数据决定下一次读操作或写操作在哪个寄存器上发生。
一旦在选定的寄存器上完成了下一次读操作或写操作,接口返回到通信寄存器接收一次写操
作的状态。
这是接口的默认状态,在上电或复位后,TM7705就处于这种默认状态等待对通
信寄存器一次写操作。
在接口序列丢失的情况下,如果在DIN高电平的写操作持续了足够
长的时间(至少32个串行时钟周期),TM7705将会回到默认状态。
下表5是通信寄存器各位的说明。
表5通信寄存器
*括号内为上电复位的缺省值
0/DRDY对于写操作,必须有一个“0”被写到这位,以便通信寄存器上的写操作能够
准确完成。
如果“1”被写到这位,后续各位将不能写入该寄存器。
它会停留在
该位直到有一个“0”被写入该位。
一旦有“0”写到0/DRDY位,以下的7
位将被装载到通信寄存器。
对于读操作,该位提供器件的DRDY标志。
该位的
状态与DRDY输出引脚的状态相同。
RS2-RS0寄存器选择位。
这3个位选择下次读/写操作在8个片内寄存器中的哪一个上发
生,见表6(附寄存器大小)。
当选定的寄存器完成了读/写操作后,器件返回到
等待通信寄存器下一次写操作的状态。
它不会保持在继续访问原寄存器的状态。
表6寄存器选择
R/W读/写选择。
这个位选择下次操作是对选定的寄存器读还是写。
“0”表示下次操
作是写,“1“表示下次操作是读。
STBY等待模式。
此位上写“1”,则处于等待或掉电模式。
在这种模式下,器件消耗
的电源电流仅为10μA。
在等待模式时,器件将保持它的校准系数和控制字信息。
写“0”,器件处于正常工作模式。
CHI-CH0通道选择。
这2个位选择一个通道以供数据转换或访问校准系数,如表7所示。
器件内的3对校准寄存器用来存储校准系数。
如表7和8所示指出了哪些通道组
合是具有独立的校准系数的。
当CH1为逻辑1而CH0为逻辑0时,由表可见对
TM7705是AIN1(-)输入脚在内部自己短路。
这可以作为评估噪声性能的一
种测试方法(无外部噪声源)。
在这种模式下,AIN1(-)/COMMON输入端
必须与一个器件允许的共模电压范围内的外部电压相连接。
表7TM7705的通道选择
十一、设置寄存器
(RS2、RS1、RS0=0、0、1);上电/复位状态:
01Hex
设置寄存器是一个8位寄存器,它既可以读数据又可将数据写入。
表9为设置寄存器
各位的说明。
表9设置寄存器的位
MD1MD0工作模式
00正常模式,在这种模式下,转换器进行正常的模数转换
01
自校准。
在通信寄存器的CH1和CH2选中的通道上激活自校准。
这是一步
校准,完成此任务后,返回正常模式,即MD1和MD0皆为0。
开始校准时
DRDY输出脚或DRDY位为高电平,自校准后又回到低电平,这时,在数
据寄存器产生一个新的有效字。
零标度校准是在输入端内部短路(零输入)
和选定的增益下完成的;满标度校准是在选定的增益下及内部产生的VREF/
选定增益条件下完成的
10
零标度系统校准。
在通信寄存器的CH1和CH2选中的通道上激活零标度系
统校准。
当这个校准序列时,模拟输入端上的输入电压在选定的增益下完成
校准。
在校准期间,输入电压应保持稳定。
开始校准时DRDY输出或DRDY
位为高电平,零标度系统校准完成后又回到低电平,这时,在数据寄存器上
产生一个新的有效字。
校准结束时,器件回到正常模式,即MD1和MD0
皆为0
11
满标度系统校准:
在选定的输入通道上激活满标度系统校准。
当这个校准序
列时,模拟输入端上的输入电压在选定的增益下完成校准。
在校准期间,输
入电压应保持稳定。
开始校准时DRDY输出或DRDY位为高电平,满标
度系统校准完成后又回到低电平,这时,在数据寄存器上产生一个新的有效
字。
校准结束时,器件回到正常模式,即MD1和MD0皆为0
G2-G0增益选择位。
这些位负责片上的PGA的增益设置,如表10。
B/U单极性/双极性工作。
“0”表示选择双极性操作,“1”表示选择单极性工作。
BUF缓冲器控制。
“0”表示片内缓冲器短路,缓冲器短路后,电源电流降低。
此位处
于高电平时,缓冲器与模拟输入串联,输入端允许处理高阻抗源。
FSYNC滤波器同步。
该位处于高电平时,数字滤波器的节点、滤波器控制逻辑和校准控
制逻辑处于复位状态下,同时,模拟调制器也被控制在复位状态下。
当处于低电
平时,调制器和滤波器开始处理数据,并在3×(1/输出更新速率)时间内(也
就是滤器的稳定时间)产生一个有效字。
FSYNC不影响数字接口,也不使DRDY
输出复位(如果它是低电平)。
十二、时钟寄存器
(RS2、RS1、RS0=0、1、0);上电/复位状态:
05Hex
时钟寄存器是一个可以读/写数据的8位寄存器。
表11为时钟寄存器各位的说明。
表11时钟寄存器
ZERO必须在这些位上写零,以确保TM7705正确操作。
否则,会导致器件的非指定
操作。
CLKDIS主时钟禁止位。
逻辑“1”表示阻止主时钟在MCLKOUT引脚上输出。
禁止时,
MCLKOUT输出引脚处于低电平。
这种特性使用户可以灵活地使用MCLKOUT
引脚,例如可将MCLKOUT做为系统内其它器件的时钟源,也可关掉MCLK
OUT,使器件具有省电性能。
当在MCLKIN上连一个外部主时钟,TM7705继
续保持内部时钟,并在CLKDIS位有效时仍能进行正常转换。
当在MCLKIN和
MCLKOUT之间接一个晶体振荡器或一个陶瓷谐振器,则当CLKDIS位有效时,
TM7705时钟将会停止,也不进行模数转换。
CLKDIV时钟分频器位。
CLKDIV置为逻辑1时,MCLKIN引脚处的时钟频率在被
TM7705使用前进行2分频。
例如,将CLKDIV置为逻辑1,用户可以在MCLK
IN和MCLKOUT之间用一个4.9152MHz的晶体,而在器件内部用规定的
2.4576MHz进行操作。
CLKDIV置为逻辑0,则MCLKIN引脚处的频率实际上
就是器件内部的频率。
CLK时钟位。
CLK位应根据TM7705的工作频率而设置。
如果转换器的主时钟频率为
2.4576MHz(CLKDIV=0)或为4.9152MHz(CLKDIV=1),CLK应置“0”。
如果器件的主时钟频率为1MHz(CLKDIV=0)或2MHz(CLKDIV=1),则
该位应置“1”。
该位为给定的工作频率设置适当的标度电流,并且也(与FS1
和FS0一起)选择器件的输出更新率。
如果CLK没有按照主时钟频率进行正
确的设置,则TM7705的工作将不能达到指标。
FS1,FS2滤波器选择位,它与CLK一起决定器件的输出更新率。
表12显示了滤波器的
第一陷波和-3dB频率。
片内数字滤波器产生sinc3(或sinx/x3)滤波器响应。
与增益选择一起,它也决定了器件的输出噪声。
改变了滤波器的陷波以及选定的
增益将影响分辨率。
表1至表4示出了滤波器的陷波频率和增益对输出噪声和
器件分辨率的影响。
器件的输出数据率(或有效转换时间)等于由滤波器的第
一个陷波选定的频率。
例如,如果滤波器的第一个陷波选在50Hz,则每个字
的输出率为50Hz,即每2ms输出一个新字。
当这些位改变后,必须进行一次
校准。
达到满标度步进输入的滤波器的稳定时间,在最坏的情况下是4×(1/输出数据率)。
例如,
滤波器的第一个陷波在50Hz,则达到满标度步进输入的滤波器的稳定时间是80ms(最大)。
如果第一个陷波在500Hz,则稳定时间为8ms(最大)。
通过对步进输入的同步,这个稳
定时间可以减少到3×(1/输出数据率)。
换句话说,如果在FSYNC位为高时发生步进
输入,则在FSYNC位返回低后3×(1/输出数据率)时间内达到稳定。
-3dB频率取决于可编程的第一个陷波频率,按照以下关系式:
滤波器-3dB频率=0.262×滤波器第一个陷波频率
表12输出更新速率
*假定MCLKIN脚的时钟频率正确,CLKDIV位的设置也是适当的。
十三、数据寄存器(RS2、RS1、RS0=0、1、1)
数据寄存器是一个16位只读寄存器,它包含了来自TM7705最新的转换结果。
如果
通信寄存器将器件设置成对该寄存器写操作,则必定会实际上发生一次写操作以使器件返
回到准备对通信寄存器的写操作,但是向器件写入的16位数字将被TM7705忽略。
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