全国大学生电子设计竞赛 2012年TI杯模拟电子系统专题邀请赛
简易电子称（B题）
组号33
成员 王国鹏 李多 杨彬祺
2012年8月29日
摘 要
本设计主要采用精密低功耗仪表放大器INA333及16位高精度AD—ADS1114完成了简易电子称的设计制作。系统主要分为传感器模块，放大器模块，模数转换模块，处理器模块。
从应变片电阻出来的微弱信号通过接入放大器的第一级（精密低功耗仪表放大器INA333），该放大器对微弱信号放大了1000倍，放大后的信号经过第二级INA333之后消除自身（即空盘）的误差。最后使用精密运放OPA2333对信号放大进入16位模数转换器—ADS1114。AD采集的数据读入到MSP430F5529处理器中利用最小二乘法进行拟合和补偿，并采用数字滤波处理，实现了10g到200g砝码的测量结果的数显。
关键字 INA333 OPA2333 ADS1114线性拟合
I
目 录
1系统方案........................................................................................................................................ 3
1.1 放大器的论证与选择 ........................................................................................................ 3 1.2 模数转换器的论证与选择 ................................................................................................ 3 1.3 其他 .................................................................................................................................... 3 2理论分析与计算 ............................................................................................................................ 3
2.1噪声电压的分析 ................................................................................................................. 3
2.1.1 电阻热噪声的计算 ................................................................................................. 3 2.1.2 放大器输入噪声的计算 ......................................................................................... 3 2.2各级放大倍数的计算 ......................................................................................................... 4
2.2.1 第一级放大倍数 ..................................................................................................... 4 2.2.2 第二级放大倍数 ..................................................................................................... 4 2.2.3 第三级放大倍数 ..................................................................................................... 4
3电路设计........................................................................................................................................ 4
3.1系统总体框图 ..................................................................................... 错误!未定义书签。 3.2放大器子系统框图与电路原理图 ..................................................................................... 4 3.3模数转换与处理器子系统框图与电路原理图 ................................................................. 5 3.4电源子系统 ......................................................................................................................... 5 4系统测试........................................................................................................ 错误!未定义书签。
4.1测试方案 ............................................................................................. 错误!未定义书签。 4.2测试条件与仪器 ................................................................................................................. 5 4.3测试结果 ............................................................................................................................. 6
II
简易电子称（B题）
1系统方案
本系统主要由传感器模块、放大器模块、模数转换模块、处理器模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 放大器的论证与选择
方案一：采用OPA2333级联对信号进行放大，但由于该运放不是差分输入，共模抑制比较低，所以不采用此方案。
方案二：采用精密低功耗仪表放大器INA333对信号放大，弥补了方案一共模抑制比较低的不足，综合以上二种方案，选择方案二。
1.2 模数转换的论证与选择
方案一：采用MSP430F5529片内12位ADC，由于电阻应变片灵敏度较低，12位ADC的分辨率和精度难以满足指标要求，所以不采用此方案。
方案二：采用16位Σ-Δ架构的ADS1114进行模数转换，分辨率大为提高，满足指标要求。综合以上二种方案，选择方案二。
1.3 其他
处理器采用组委会规定的MSP430F5529平台，传感器模块采用比赛现场提供的简易托盘秤。
2理论分析与计算
2.1 噪声电压的分析
2.1.1 电阻热噪声的计算
对于仪表放大器来说，由于是反向放大，所以电阻热噪声表现在Rg上面。并且由于系统级联，所以第一级电阻热噪声对系统影响最大，而电阻热噪声公式为
因此电阻Rg=100欧姆时，产生的噪声电压均方根值为0.039uVpp。 2.1.2 放大器输入噪声的计算
INA333的输入噪声在0.1Hz到10Hz的时候为1uVpp，因此在我们设置增益为10000倍的情况下，输出的噪声为10mVpp。又由于第一级增益为1000，因此第一级的输出噪声为1mVpp，相对于第二级的输入噪声来说比较大，因此第二级以后的输入噪声可以忽略不计。
3
2.2 各级放大倍数的计算
2.2.1第一级放大
INA333的最大放大倍数为1000。因为我们是对直流放大，因此对带宽的要求不是很高。为了保证系统良好的信噪比，我们将第一级增益设置为1000。 2.2.2第二级放大
第二级INA333的作用是为了消除电桥固定不平衡带来的失调电压。这个电压经实测大约有300mV左右，因此第二级INA333的使用为差分放大，减去300mV的直流量以抵消这个失调。因此我们将增益配置为5倍。 2.2.3第三级放大
第三级放大采用精密运放OPA2333对INA333的输出信号进行放大，来驱动后级的16位ADC。而ADC的参考电压为2.048V，因此ADC的输入范围在2V以内。经实测，加入200g砝码的时候，前级放大产生的电压大约有700mV左右，因此我们将第三级放大器增益配置为2，来满足ADC量程范围。
3电路设计
3.1系统总体框图
系统总体框图如图1所示
应变片电阻电桥 放大器 模数转换器 处理器
图1 系统总体框图
3.2 放大器子系统电路原理图
R7 10kR8 20kV4 300mR4 10kR5 10k-RGU1 INA333V-R9 10kOut+-+VS1 5-RGR3 100NTCU2 INA333V-Out+RG 20kRG+V1 5V+RefR6 10kSTRAINR1 10kU3 OPA2333V3 5RG+V2 5RefV+V5 200m
图2 放大器子系统电路
4
3.3 模数转换与处理器子系统框图 液晶显示屏 IIC总线 16位超低功耗单片机MSP430F5529 键盘输入 16位ADCADS1114
图3 模数转换与处理器子系统框图
3.4 电源子系统
电源由变压部分、整流部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供+5V和+3.3V电压，分别提供给放大器和处理器，确保系统的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。
4系统测试
4.1 校准方法
采用最小二乘法拟合，由于电桥的非线性，在压力偏离零位较大时，增加抛物线拟合，对电桥的非线性起到了较好的补偿。10g-200g时拟合曲线如下，其中横坐标表示电桥输出经过放大后的电压，纵坐标表示砝码质量，单位分别为0.1mV、0.01g
图4 最小二乘法拟合曲线
4.2 测试条件
测试条件：系统原理图、仿真电路以及硬件电路三者完全一致，硬件电路无虚焊，
5
电源无短路，处理器程序正常运行。
测试仪器（厂家、型号）
数字万用表：优利德、UT803，安捷伦、U1272A； 稳压电源：ZHONGCE、DF1731SC2A。
4.3 测试结果
砝码质量/g 测量结果/g 相对误差% 10 10.02 0.20% 20 19.97 0.15% 50 50.12 0.24% 100 100.08 0.08% 120 119.96 0.03% 150 151.01 0.67% 200 199.95 0.025% 注：以上测量结果均满足稳定时间小于5S的要求。
6
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容