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。
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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。
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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。
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