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1、数显电子称设计2009-12-16 16:46 摘 要: 本设计分五个模块：电源模块、数据采集及放大模块、模数（A / D ）转换模块、自动换档模块、显示模块。本电路应用压敏电阻构成秤重电桥来采集电压的微小变化，经过放大电路放大后送入A/D 转换芯片 CC7107 ，对输入电压信号进行转换成数字量输出；显示模块直接连接数码管构成，显示实际测量值。同时根据输出，自动判断出所加压力的大小来改变量程，实现自动换挡。外部电路非常简单，方便制作。关键字：模数（ A / D ）转换秤重电桥压敏电阻自动换档引言：在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的发展，我们对其要求
2、操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技术的发展传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。大多数电子秤是以1:3,000 或1:10,000 的分辨率输出最终的称重值，使用12 bit14 bit的模数转换器很容易满足要求。设计中主要考虑峰峰值（PP ）噪声分辨率、 ADC的动态范围、增益漂移和滤波。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化
3、；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。一 方案设计与论证1.1 总体设计方案与比较 :方案一： 通过秤重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D 转换芯片CC7107进行 A/D 转换，由于此芯片可直接用于数字显示，故转换后的数字量直接用数码显示器进行显示。此方案的优点是外部电路非常简单，但同能实现较高的精度。缺点是无法对A/D 转换进行控制。图 1.1 方案一方框图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - -
4、- - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 方案二：通过秤重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D 转换芯片AD7799进行 A/D 转换，转换后的数字量输入单片机，有单片机进行数据处理和对A/D 转换的控制， 再有单片机输出显示信号，通过显示电路进行显示。此方案的优点是可控制性好，电路简单， 缺点是数据量大且存储器存储容量有限。但要求是用我们所学的数字电路知识，运用简单数字芯片进行设计，单片机需要编写程序进行数据处理。故我们不采用。其电路方框图如图1.2 所示：图 1.2 方案二方框图二 模块电路设计及比较系统硬
5、件以CC7107为核心，包括电源模块、数据采集及放大模块、A/D 转换模块、自动换档模块、数码管显示模块。21 电源模块本设计只用到电源一种：即+5V.2.1.1 电源原理稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图2.1图 2.1 电源方框及波形图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - A、 整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成， 其作用是脉动电压U3中的
6、大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。B、 稳压电路：由于得到的输出电压U4受负载、输入电压 和 温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。2.1.2 电源电路图集成三端稳压芯片LM7805具有比较高的精确度，加上电容的滤波，对电路可以提供比较稳定的电压。图2.2 中电路提供 +5V的电源；主要用于电桥数据采集、信号放大电路、 A/D 芯片（ CC7107 ）、数码显示。其中 +5 V给 CC7107供电； -5V 为 CC7107参考电压和用于调零电路。由于要求输出的电流最大值为2000mA ，而且取样电阻为1 欧所以要求CC7107输出的电压至
7、少为2 伏，通过计算 -5 伏的电压足够实现上述要求。图 2.2 电源原理图22 数据采集、放大及零位调整模块2.2.1 称重传感器最普遍的电子秤应用桥式称重传感器实现，称重传感器的输出电压直接与放在其上的重量成比例。图1 示出了典型的称重电桥一个具有至少两个可变桥臂的4 电阻结构的电桥，所称重量引起的电阻变化可产生一个叠加在2.5 V （电源电压的一半）共模电压之上的差分电压。典型的电桥通常使用300 的电阻器。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页
8、- - - - - - - - - 称重传感器本身具有单调性，其主要参数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。1灵敏度称重传感器的电灵敏度为满负荷输出电压与激励电压的比值，典型值是2mV/V 。当使用 2 mV/V 灵敏度和 5 V 激励电压的传感器时，其满度输出电压为10 mV。通常，为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围，应当仅使用满度范围的三分之二。因此满度输出电压应当大约为6 mV。当电子秤应用于工业环境时，在6 mV满度范围内测量微小的信号变化并非易事。2总误差总误差是指输出误差和额定误差的比值。典型电子秤的总误差指标大约是0.02%，这一技术指标相当重要，它限制了使用理想信号调节电路
9、所能达到的精确度，决定了ADC分辨率的选择以及放大电路和滤波器的设计。3漂移称重传感器也产生与时间相关的漂移。图 2 示出 24 小时范围内测量的实际称重传感器漂移特性。测量结果表明（使用24 bit ADC测量的 bit变化数量）具有125 LSB 或大约7.5 ppm 的总体漂移。2.2.2 放大、零位调整电路目前的电子称重装置大都使用电阻应变桥式传感器, 其核心是由电阻应变计( 应变片 )构成的电桥电路, 这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低, 要经过差分放大电路放大数百倍 才能用于 A/D 转换。一般说来，传感器输出的电压值都非常小，基
10、本上都是毫伏级甚至微伏级。在设计高精度电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的增益。设电桥的两个输出端在没有连接处理电路时的电压分别为 e1 和 e2 。由于运算放大器输入端的“虚短”效应, 在反馈电路的作用下, 反相输入端的电压将逼近于同相输入端的电压 e1 ,使电桥平衡。/ ( R +R) (R -R) =11000 004(额定负荷下此比值最大, 小于额定负荷时此比值更接近于 1) , 因为电阻应变式称重传感器的分辨率一般只有1/ 3 000 或 1/ 6 000, 所以用 r2 代替 ( R + R) (R -R)产生的放大误差将不影响检测结果和精度。于是名师资料总结 - - -精品资料
11、欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 对于最普遍采用的灵敏度为2 mV/V 的应变式称重传感器 , 在额定负荷下 r2 (e1 - e2) 。由于 A/D 转换器的输入端为差分输入, 所以其输入差模电压其中 Rb 是为防止应变片桥路温升时引起桥臂电阻 R 上升造成放大倍数减小而加的稳定放大倍数的反馈温补电阻 , 其大小由模块工作温度范围内温补的范围决定。为了提高抗干扰能力 , 由 R1、R2、C1 和 C2 等元件配合运放 AD8655 组成了有源
12、低通滤波(LPF) 电路 ,以滤除高频干扰信号。合理选择放大电路的 Q 值及 R1、R2 、C1 和 C2 , 可产生不同的滤波效果和截止频率。 “切比雪夫”特性的滤波器虽然衰减特性陡峭 , 但在进入衰减区域时容易发生振荡 , 在应用中最好设计成“巴特沃兹”特性。电阻和电容组成的RC滤波器，用来限制输入信号的带宽，降低输入信号的噪声。参考电压输入可以直接接在电源和地上，因此不需要额外的参考电压。为了减小参考源的噪声，需要在参考源的输入端加入10uF 的滤波电容，这个电容越靠近芯片越好。在电路正常工作以前，可以通过自纠正和系统纠正来纠正芯片和系统的增益误差以及失调误差来提高整个系统的精度。在电路
13、应用过程中均可能出现什么输入发生变化，导致 A/D 转换出错。 故需要对放大后的输入进行调零控制。其电路图如图3 下所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 图 3 这个电路主要是增加了由两个运算放大器( 简称运放 ) 及电阻 RG和 RF组成的放大电路。 通过调节 RG和 RF的值，就可以获得所需要的增益，配合CC7107提供的最大增益，可以将输入信号放大到所需要的幅度。选择运放时要注意，由于输入信号的幅度很小，
14、因此对运放的噪声性能和失调电压要求非常高，应选择低噪声、低失调的运算放大器。23 A/D转换模块2.3.1 A/D选择一个电子秤系统最重要的参数是内部分辨率、ADC动态范围、 无噪声分辨率、 更新速率、系统增益和增益误差漂移。该系统必须设计成比率工作方式，所以它与电源电压波动无关。Intersil ICL7106 和 ICL7107 是高表现 , lowpower,31/2个数字 A/D 转换器。被包括在内的是七个片段破码器, 展览驾驶员，叁考和一个时钟。 ICL7106 与一个液晶显示器(LCD) 一起设计到接口而且包括被多重发讯的基架驾驶； ICL7107 将会直接地驾驶发出两极管 ( 引
15、导 ) 展览的一个器具大小光。 ICL7106 和 ICL7107 一起带来一个高的准确性，多种变化和真实的经济组合。它以汽车为特色 -零的对少于 10 V ，少于 1 V/C 的零漂流物 , 输入 10pA( 最大 ) 的偏见涌流、和少于一计数的翻转错误。真实的差别输入和叁考在所有的系统是有用的, 但是当测定装载细胞、 紧张标准度量和其他的桥类型转换器的时候给设计者一个不寻常的利益。最后，单一力量的真实经济供应操作 (ICL7107), 使高的表现嵌板公尺能够与只有 10 无源的附加一起建造完全的. 其引脚如下：该电路为CC7107,LED和若干无源元件组成的数字电压表电路。该电路采用标准的
16、3.5 位显示电路进行显示，其中最高位可以显示千位的“1”和显示负号。此外，由于该电路的两个输入端即COM 与 V+端的电位差具有很高的稳定性，可以作为参考电压源。因此，可以通名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 过分压的方法来扩大它的量程。由于两个输入端最大承受电压为200mV因此要实现最大值为2000mV的显示可以用以下分压形式（本设计所采用的）如图2.6 所示：利用 CC7107A/D转换器组装成3.5 位数字
17、电压表 , 图 2.6 数字电压表的外接电路通过上面的电路可以测量最大值为2000mV的 电压而在本设计中的采样电阻为1欧所以被测电压值即为被测电流值. 图 2.7 3.5位数字 A/D 转换原理图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 24 数码管显示模块由于所选用的芯片CC7107已经具有译码功能，故在显示时只需要接上数码显示器即可用于显示。其图为：电子秤的设计考虑三3.1. 比率式测量方式在电子秤的参考设计中为了
18、达到最佳性能采用了比率式测量方法（电桥的 DC激励源和ADC的参考电压源使用同一个参考源）。称重传感器的输出精度由电桥的激励电压决定。由于电桥的输出直接与激励电压成比例，所以激励电压的任何漂移都会产生相应的输出电压漂移。由于比率式测量方法的输出电压既与电桥的激励电压成比例又与ADC的参考电压源成比例，这样即使实际的电桥激励电压变化也不会影响测量精度。这种比率式测量方式消除了激励源中的温度漂移和极低频率噪声对输出精确度的影响。为了滤除ADC输入端来自称重传感器的噪声，通常使用一个简单的一阶RC滤波器。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -
19、 - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 3.2.PCB 布线印刷电路板 (PCB)布线对于使用高精度- ADC以达到最佳噪声性能非常关键。最重要的是接地和电源退耦。在本参考设计中，接地面分为模拟部分和数字部分。CC7107位于这两个接地面之间的上方。在AD7799的正下面使用一个起始点连接两个接地面。CC7107的 GND 引脚应与模拟地相接。在本设计中，仅使用一个电源供电，但是在AVDD 和 DVDD 引脚之间接一个铁氧体磁珠。铁氧体磁珠在低频处具有低阻抗，在高频处具有高阻抗的特性。因此， 铁氧体磁珠可抑制DV
20、DD 中的高频噪声。 当选用铁氧体磁珠时，应当研究其阻抗频率特性。本设计选用600 表面贴装的铁氧体磁珠。最后，通常使用0.1 F 和 10 F 的电容器对 AVDD 和 DVDD 电源进行去耦；这两个电容器都应放在尽可靠近CC7107的地方。四系统测试通过软件的模拟，我们发现该设计电路具有一定的精确度，能够适合我们的生活。虽然没有实际测试，但我们根据模拟测试可以的出结论：此设计可以实现。五本文小结目前，电子秤正朝着小型化、高精度、智能化方向发展。CC7107采用较小的封装，尺寸很小，所需的外围器件也很少，满足了电子秤小型化的需求；其内置各种控制寄存器和数据寄存器，并且可以通过SPI 接口方便
21、地控制和读取这些寄存器，满足了电子秤智能化的需求。因此CC7107是电子秤中模数转换器的理想选择。在电子技术的课程设计中，我花了大量的时间和精力进行资料查阅和方案论证，结合自己所学，认真解决每一个功能模块中遇到的问题有时，为了解决一个具体问题，竟到了绞尽脑汁的地步在设计完各个功能模块之后，我用Protel 99 SE绘图软件进行了各个模块的绘制，并最终绘制成一个总的电路原理图。另外，我还用仿真软件Proteus 6 Professional 进行某些功能模块的仿真，收到了很好的效果。但由于缺乏实践经验，电路中还有些功能不够完善，有写参数不够精确，而且抗干扰能力也不够好。总之，在这次课程实际中，
22、我学会了怎样把自己所学的书本知识应用到实处。看到自己设计的功能电路能在仿真软件中运行，我有了很大的成就感。另外，通过具体的操作，我掌握了各个功能模块的接口设计方法，无论是在设计思想还是在动手能力上都有了很大的提高。：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -
