對基于力敏元件的天平系統偏移進行補償的電路

設計電阻橋式傳感器與5V單電源供電的ADC之間的接口是一個新的挑戰。有些應用需要輸出電壓在0V到滿量程電壓（如4.096V）之間以高精度波動。對大多數單電源儀表放大器，當輸出信號接近0V、接近單電源低輸出擺幅限制時，會出現問題。一個好的單電源儀表放大器可在接近于單電源地電壓的范圍內擺動,即使有真正的滿擺幅輸出，也不能達到地電壓。

　　在本應用中，傳感器是一個精密的力敏元件，其額定負載為5kg，即約11磅。在鋁盤上測重大約為150g的物體，即大約5盎司。由于鋁盤自重，即使沒有任何物體稱重，儀表放大器的輸出信號也不能低到0V。現在，問題是如何補償儀表放大器的輸出偏移電壓和鋁盤本身產生的電壓。

　　軟件彌補系統偏移是最簡單的方法。在加電期間，鋁盤上沒有稱重物體，系統可以獲取偏移電壓，并將數據記錄在微控制器內存中。隨后，當有物體稱重時，從獲得的數據中減去它即可。但是，這種做法不能達到天平的5kg滿量程，僅能達到4.85kg。

　　本設計實例說明如何利用微控制器實現硬件補償。當加電后，運行軟件程序復位系統偏移。解決方案如圖1所示，基于四個來自Linear Technology公司IC的簡 單電路。精密電壓基準IC1，有高達50mA的最小輸出電流。它提供4.096V輸出電壓驅動力敏元件，并設置12位ADC（IC3）的滿量程范圍。高精度儀表放大器LT1789-1（IC2）的特點是在0℃~70℃溫度范圍內，最大輸入失調電壓為150mV，滿擺幅輸出電壓相對地電壓110mV范圍內擺動時，最大輸入失調偏移電壓是0.5mV/℃。通過精密電阻R2 （阻值為500Ω）設定增益，當稱重是5kg時，輸出范圍為4.096V，其最大輸入信號是VCC×S=4.096V×2mV/V=8.192mV，這里 S是該傳感器的靈敏度。

　　雙通道DAC（IC4）的DAC_A輸出在儀表放大器參考引腳處提供200mV的參考電壓，以避免放大器本身地飽和，但傳輸特性不是線性關系。放大器最壞情況下輸出偏移是：VREF+VPAN±VOFFSET=200mV+125mV±500×150mV= 325mV±75mV=250mV/400mV，這里VPAN=125mV，是鋁盤自重產生的電壓值。

　　因此系統輸出偏移是250mV 到400mV。加電后，微控制器運行一個程序設置DAC_A輸出為200mV，同時，增加雙通道DAC（IC4）的DAC_B輸出直到等于ADC （IC3）管腳2上的系統偏移，轉換結果就是000h。這一結果是可能的，因為IC4包含兩個12位2.5V滿量程電壓的DAC，最低有效位（LSB）等于0.61mV，小于分辨率為1mV的IC3。這個數字相當于該天平的分辨率：5000g/4096=1.22g。當最大負載5kg時，儀表放大器的最大輸出電壓是4.096V + VOUT_TOTAL_OFFSET_INA = 4.346V/4.496V，低于4.62V高飽和狀態下溫度的最壞情況。

　　IC3有一個單極差分輸入，所以可以從+IN輸入電壓中減去一個恒定電壓值等于IC4的DAC_B提供的系統偏移。在第一個半時鐘周期內，ADC采樣和保持正向輸入電壓。這階段結束，或在采集時間內，輸入電容切換到負輸入并開始轉換。在IC3輸入端的RC輸入濾波器的時間常數為0.5ms，允許正負輸入電壓采用最高為200kHz時鐘頻率在轉換時間的第一時鐘周期內達到12位精度。如果想增加時間常數，必須采用較低時鐘頻率。

　　此外，DAC和ADC有一個三線串行接口，可方便地將數據傳輸到最高采樣率為12.5kS/s的寬范圍微控制器。當ADC處于沒有轉換的時候，它會自動把功率降至1nA的電源電流，而且如果微控制器通過其引腳3來關閉 IC1，電路限制電源電流在最壞情況下僅為1mA，因為所有的IC集成電路都是微功耗的。