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标题: 300000分之一高分辨率的电子天平 [打印本页]

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-24 16:13
标题: 300000分之一高分辨率的电子天平
最近在对电子天平比较感兴趣，称重传感器是阻桥类型的，灵敏度为1mV/V，
我所加的激励是10V的，那么得到的满量程信号才10mV，
第一版设计的直接进入ADS1232里面的内部128的增益，效果不好
很多人说应该先放大再进入运放，可是我总感觉放大过程中总会带入更高的噪声啊，
300000：1的性噪比就要求运放的噪声电压低于（10mV/300000）=300nV，我觉得这就不太可能实现呢！
求大侠发表高见！

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-24 16:20
[attach]63493[/attach]
这个是我想设计的放大电路，只不过把运放用成OPA827
OPA827的噪声密度谱为4nV/根号HZ，
2，现在的带进来的噪声理论上会是多大呢？

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-24 16:27
我是这样算的，电路的放大倍数是A=26K/200=520
电路的截止频率f=10k，那么带进来的噪声应该是 V= （根号下（16*10K））*520=400nV*520= 208uV
是这样计算的么？

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-24 17:03
我现在用的ADS1232，电源用的LT1764低噪声LDO，传感器的激励是用的REF5050放大2倍后的运放供电的，地线也做了隔离，可是效果还是不太好。

作者: zjp8683463 时间: 2011-5-24 17:16
本帖最后由 zjp8683463 于 2011-5-24 17:18 编辑

300000:1也就18位分辨率...
搞个AD620放大就行了,放大之后滤波,电源用线性的,开关电源基本没戏.
不用过多去考虑运放的噪声,远远没有达到你要关注的范围.

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-24 17:37
5# zjp8683463
可以放心的放大么？可是我总是得觉得噪声也被放大了啊！

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-24 17:38
6# yinsirjeff
而且你看我那个电路？还有我计算的那个噪声的计算方式有问题么？

作者: pengjianxue 时间: 2011-5-24 22:32
opa827的CMRR约108dB, 会有20微伏共模误差，本身失调电压250微伏，10khz带宽噪声电压450纳伏，
电阻的匹配精度有限，这还仅是运放的误差，因此测300纳伏有困难。国际最高水平是灵敏度2纳伏。

分辨率（灵敏度）是信号源不变（比如0V),测量结果跳动的峰峰值。放大处理的目的是使信噪比得到提高。

彭建学上海

作者: pengjianxue 时间: 2011-5-24 22:36
几乎所有的误差都是温度的函数，而且环境影响对微弱信号影响极大。

彭建学上海

作者: zjp8683463 时间: 2011-5-24 22:37
本帖最后由 zjp8683463 于 2011-5-24 22:43 编辑

放大之后滤波就行,ls说的大部分是线性误差,不是非线性误差.
非线性误差主要来自噪声和漂移,但运放的带宽限制和滤波之后,提高了有效带内信噪比.
完全可以满足18位的分辨率要求.
用集成仪表运放是为了减少电阻适配的问题和输入阻抗.
桥式的传感器,用专用解调和仪表运放做,输出4~20ma都稳定在0.1uA,电压信号只会更高.
单电源引入的噪声很难消除,psrr在高频几乎没用.

作者: GavinZ 时间: 2011-5-24 23:26
恰好我刚使用过ad620，我认为用620是不可能将楼主的10mv做到三十万分之一的分辨率；咱退一步按照100,000分之一算，分辨率要达到100nV，ad620没告诉我们它有这能力，不是吗？！

按照ads1232手册上看，楼主的第一个方案就是最好的方案，第二个，我认为，没戏。

作者: GavinZ 时间: 2011-5-24 23:29
本帖最后由 GavinZ 于 2011-5-24 23:39 编辑

还有，重力计的内部分辨率要做到显示分辨率的十分之一，才能使读数更稳定，也就是说，楼主要做到三百万分之一的内部分辨率，回到ads1232的手册，那么你需要20V以上的激励电压。

作者: zjw5000 时间: 2011-5-25 00:11
标记！

作者: 53789 时间: 2011-5-25 01:43
上世纪九十年代我就在用mettler-toledo的AE-240型电子天平，它有两个量程，200g量程精度为0.0001g，40g量程精度为0.00001g。按楼主的“高分辨率”概念，200g量程分辩率为200万分之一，40g量程分辩率为400万分之一。
这样看来，楼主的30万分之一高分辩率，离国外某公司20年前的水平还差一大截，不如买人家的成品来研究一下，或者直接抄板，20年肯定过了专利保护期，不用担心人家找上门。

作者: pengjianxue 时间: 2011-5-25 08:20
射频整流的概念：
由于半导体集成电路必然存在非线性，当交流信号（如噪声）输入到放大器，输出交流信号会产生畸变，非正负对称的畸变就将交流转变为直流，带来另一种非线性的直流误差，这在微弱信号检测时需要考虑的。

彭建学上海

作者: pengjianxue 时间: 2011-5-25 08:28
热电势：
电子系统种常用的材料有：铜、银、金、锡、铅，它们的热电势分别约为：
铜－铜：<=0.2微伏/度
铜－锡，铜铅：1~3微伏/度
铜－银，铜－金：0.3微伏/度

彭建学上海

作者: pengjianxue 时间: 2011-5-25 08:32
地磁场中，两根1m长闭合导线在10HZ振动下间距变化0.1mm，产生0.314微伏。

彭建学上海

作者: pengjianxue 时间: 2011-5-25 08:42
如果220V50HZ通过仅有0.1皮法的分布电容，流过1欧电阻的压降为7纳伏。

彭建学上海

作者: Wxy8030 时间: 2011-5-25 08:46
标记一下！

作者: pengjianxue 时间: 2011-5-25 08:47
面积1平方厘米的闭合回路距离通有1A50HZ的电流导线10厘米，可产生62.8纳伏。

彭建学上海

作者: shen781219 时间: 2011-5-25 09:30
学习

作者: zjp8683463 时间: 2011-5-25 11:01
本帖最后由 zjp8683463 于 2011-5-25 12:05 编辑

不能只看放大前的信噪比。我们用运放就是要提高带内信噪比，不然要运放只会增加噪声。
我们最后需要得到是一个直流缓变信号，那些高频噪声可以放大滤波之中大幅衰减。fc=10k太高，100hz还差不多，简单的一级放大不行。AD之后也要做一定的数字处理，不能光靠电路。最后的频响1hz都可以。

作者: chy117 时间: 2011-5-25 14:35
mark

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-25 15:44
12# GavinZ
哥们正解，我也是考虑了这些问题，才觉得他会存在这些问题。但是目前我觉得这个分辨率做起来应该不会是这么困难的，希望能通过软件算法提高，但是不小得能提高多少！

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-25 15:50
23# zjp8683463
恩，我非常赞同你的观点，肯定是要配合着数字滤波算法的，那按照你的意思，放大的话更靠谱一些啦？
ADS1232的分辨率实际上在放大128倍的情况下，满足不了我的要求。

作者: zjp8683463 时间: 2011-5-25 16:05
本帖最后由 zjp8683463 于 2011-5-25 16:26 编辑

我的想法是先放大之后滤波，再放大，再滤波，将信号放大至5V左右进ADC.如果是分辨率100nv以下难办了，那就要请教彭大侠了。
5V的18位就是+/-15uV，把1hz以上的噪声控制在15uV以内到这个级别应该可以达到吧。

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-25 16:09
27# zjp8683463
为什么不能一次放大呢？我这个地方一直没搞明白，咱俩可以讨论下这个问题么，谢谢了！

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-25 16:19
29# tosharp66
我现在又不是需要做那么高的精度，只是对这个比较有兴趣，想拿来研究研究，看看效果能做到多好！

作者: zjp8683463 时间: 2011-5-25 16:26
本帖最后由 zjp8683463 于 2011-5-25 16:27 编辑

27# zjp8683463
为什么不能一次放大呢？我这个地方一直没搞明白，咱俩可以讨论下这个问题么，谢谢了！
yinsirjeff 发表于 2011-5-25 16:09

放大倍数不高可以一次放大。你用那个ADC内部pga也可以，但滤波要做好，10k滤波肯定不行，你可以将fc设成10～100hz，采样用10hz试试，看看能做到什么程度在来修改方案。这样的改动最小。

作者: bluecup 时间: 2011-5-25 16:37
先问问人家应变片能不能达到这个分辨率，我用的这个应变片差不多2万分之一，厂家说这个已经很难做了

作者: bluecup 时间: 2011-5-25 16:41
问问做应变片的厂家有没有达到你要求的应变片。电路处理的话直接仪用运放，再AD，再软件滤波算法

作者: IJK 时间: 2011-5-25 16:55

先问问人家应变片能不能达到这个分辨率，我用的这个应变片差不多2万分之一，厂家说这个已经很难做了
bluecup 发表于 2011-5-25 16:37

这也是需要考虑的问题。
如果1个应变片不行，可以考虑用2个量程，用2个应变片（每个管1000倍）。

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-26 00:24
8# pengjianxue
彭大师，我觉得我的计算是错误的，而你给出的450nv才是标准的！
你给出了我们很多理论，能否根据我现在的应用给一个比较可行的方案么？

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-26 00:28
31# zjp8683463
帖子上那个前端的图只是我想采用的一个方案，之前传感器的信号都是直接进入ADS1232的，它内部不是有一个低通滤波器的么？

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-26 00:32
31# zjp8683463
目前的情况是两个比较纠结的地方，
1，是选用一个仪表放大器呢，还是用个低噪声的OPA2376做一个图上所的差分放大的电路，差分放大能保证信号还是差分的，但是就涉及到第二个问题了
2，如果激励还是用10V的话，那么出来的差分信号的共模电压就超过5V了
技术太菜，还在探索的地上.....

作者: zjp8683463 时间: 2011-5-26 10:36
共模抑制比并不直接影响分辨率，但影响精度。
看了ads1232的资料，直接用pga放大确实是最方便的。
pga之后有2个外置的滤波电容，把截止频率设置成100hz试试，数据手册推荐是0.1uf@720hz。

作者: kd120 时间: 2011-5-26 12:55
各位大虾都是牛人啊小弟学习了

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-26 15:09
38# zjp8683463
又发现了一个失误！
如果用ADS1232的话，5V供电，那么好像我的传感器的激励电压只能用7V的了，甚至还要小一些，否则共模电压超过1.5V了，在datasheet里面提到，使用64或者是128的pga的时候要将输入范围降低到AVDD-1.5V了
显然问题更大一些了！崩溃啊！

作者: zjp8683463 时间: 2011-5-26 15:35
那就5V激励好了。先试试效果。编个程序采集100～1000个数，计算下ENOB

作者: zjp8683463 时间: 2011-5-26 15:40
今天刚好调了一批桥式的，10V满量程做到0.1mV不跳动，160hz频响，没加数字处理。

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-26 15:53
42# zjp8683463
恩，我目前直接接到ADS1232的正在调试，因为时间急，只做了ADS1232的单独板子，和ARM得接口预留出来了，通过飞线连到ARM板子上的（还包括地线），目前+-2.5V满量程，才做到0.1mV不跳动，
这两天新做好的整板就回来了，到时候好好地测试一下！出现问题继续交流！
不过新板出现的问题，模拟地和数字地的连接部分使用22uH电感好还是0欧姆电阻好些？如果选用电感的话，感值是根据什么计算的呢？

作者: PowerAnts 时间: 2011-5-27 13:21
注意空气紊流的影响，还有被测物热膨胀系数的影响

作者: yinsirjeff 时间: 2011-5-27 21:47
44# PowerAnts
好的，谢大蚂蚁师父提醒啦！有好的成果将非常感谢！

作者: t.jm 时间: 2011-5-28 08:45

38# zjp8683463
又发现了一个失误！
如果用ADS1232的话，5V供电，那么好像我的传感器的激励电压只能用7V的了，甚至还要小一些，否则共模电压超过1.5V了，在datasheet里面提到，使用64或者是128的pga的时候要将输 ...
yinsirjeff 发表于 2011-5-26 15:09

sensor激励电源改正负电源啊。

作者: 赤铸 时间: 2011-5-28 21:04
“电路的截止频率f=10k”？要是这种思路，就做不出来了。

弱信号检测真正的难度在于：
1. 要求在规定时间内完成弱信号检测；
2. 挑战导体特性、环境干扰之类的物理极限。

对于静态检测（没有速度要求），只要工艺上仔细严谨，楼主的指标并不难。几十年前的技术条件就能达到。

楼主可以考虑的方向包括：
1. “电路的带宽BW<10Hz” （平均）
2. 直流变交流（调制）
3. 前端电路有效隔离
4. 放大倍数不必很高，充分利用高分辨率A/D的性能

作者: leizi2008 时间: 2011-5-30 09:32
我觉得你可以查看下AD7730这个芯片，专门用于称重测量，输入量程从正负10mv到正负80mv可选，可选则16位或24位AD，专门针对桥式传感器的一种采集芯片，内部自带PGA和滤波器，我觉得应该挺适合你的

作者: Ryanhsiung 时间: 2011-5-31 09:24
mark

作者: cughd 时间: 2011-5-31 09:28
mark

作者: SeaSun 时间: 2011-5-31 13:05
标记

作者: yinsirjeff 时间: 2011-6-13 12:31
47# 赤铸
好的，多谢大侠提点，目前已经出来差不多的效果了，希望可以做的更好！

作者: yinsirjeff 时间: 2011-6-13 12:32
48# leizi2008
这个芯片资料我考虑过，不过据有些人分析这个芯片温度特性挺不错的，不过价钱稍微有点高，我的这个东西对成本有一点点敏感呵呵不过还是谢谢你！

作者: yinsirjeff 时间: 2011-6-13 12:32
46# t.jm
好思路，下次改进的时候考虑一下！

作者: leizi2008 时间: 2011-7-27 11:36
53# yinsirjeff 恩是不错，我做到150°C都没事，就是数值略微有点飘动

作者: NICKY99 时间: 2011-8-3 11:26
MARK

作者: lymex 时间: 2011-8-4 00:21
用应变片取得30万分之一，几乎是不可能的。不是放大和采集的问题，主要是传感器没那么高。一般都是0.0x%左右，零点、温漂、线性、蠕动，都是这个水平的。

前面有人提到Mettler等分析天平，人家是电磁平衡的。我有一个赛多利斯的，200g分辨0.1mg，80g分辨0.01mg，也就是8000000：1（800万：1），我拆过内部：
[attach]71955[/attach]

传感器是所谓超级单体：
[attach]71956[/attach]
[attach]71957[/attach]

作者: xianqiquan 时间: 2019-9-10 14:26
MARK

作者: shalixi 时间: 2019-9-10 15:47
精度做不到吧。

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