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  • 差分式采集压力传感器信号,基于运放放大器。
  • STM32压力传感器信号采集-24位AD HX720 HX711 原理介绍

    万次阅读 多人点赞 2019-09-12 20:42:25
    我做过很多工业用压力采集产品,用过很多高分辨率的AD芯片,其中有两款值得推荐。一个是海芯科技出的HX711等24位AD,一个是塞普拉斯出的CS5532等24位AD。国产芯片和进口芯片有差距,但是国产芯片也解决了很多应用的...

    我做过很多工业用压力采集产品,用过很多高分辨率的AD芯片,其中有两款值得推荐。一个是海芯科技出的HX711等24位AD,一个是塞普拉斯出的CS5532等24位AD。国产芯片和进口芯片有差距,但是国产芯片也解决了很多应用的问题,替代了很多进口产品。

    最近在用海芯科技出的HX720,芯片内部集成了低噪声稳压管,这样降低成本,也省去选参考源的麻烦。给24位AD选参考源是很头疼的事,参考源选的指标过高,AD新能不一定能达到,参考源选的指标低了不能实现想要的精度。

    HX720内部带有128倍放大器,这也是专为压力传感器输出小信号设计的,降低了成本,提高了性能和可靠性。芯片内部带有振荡器,内部带有50Hz、60Hz滤波器,宽温度范围 -40~+85℃,8脚封装。缺点是输出速率比较低,10Hz、40Hz,对于很多应用也是可以的。精度和进口芯片也小有差距。

    典型设计如下:

    电气参数如下:

    厂家给出原理图和PCB供大家参考

    基于这些资料,设计了STM32控制HX720的压力采集模块。下面分别说下各部分功能。完整图纸如下:

    电源部分,供电来自USB的5V,考虑到HX720的稳定性,没有采用HX720输出的3.3V为单片机和其他部分电路供电。而是单独加了LM1117稳压芯片为处理AD以外电路供电。

    USB接口除了供电以外,还设计了CH340做USB转UART,方便和PC通信。CH340是江苏沁恒股份有限公司的芯片,这家公司出了很多好用的芯片,我还经常用他家USB、以太网、数码管驱动等芯片。

    AD部分,依照参考设计,AD芯片和传感器之间可以选用4线接线方式,也可以用6线接线方式,可以做实验对比。

    单片机部分,很多demo都有51做主控,现在很少有产品用51了,所以这样的demo不实用。我选用了比较流行的STM32,方便扩展其他功能。

     

    这两排是扩展的端子

    数码管部分,我直接用单片机的IO口驱动的数码管,现在单片机端口足够多,驱动能力也够强。

     

    按键部分没有加滤波消抖电路,最终还是要加软件滤波消抖。

    LED部分要加限流电阻,电流计算方式是 单片机电压减去二极管结电压再除以电阻值,有一点要注意,不同颜色的发光二极管结电压不一样。通常红色为1.6V左右,绿色有2V和3V两种,黄色和橙色约为2.2V,蓝色为3.2V左右。对于常用的几毫米大小的二极管,其工作电流一般在2毫安至20毫安之间,电流越大亮度越高。

     

    PCB如下

    实物如下

     

     

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  •  传感器及其相关电路被用来测量各种不同的物理特性,例如温度、力、压力、流量、位置、光强等。这些特性对传感器起激励的作用。传感器的输出经过调理和处理,以对物理特性提供相应的测量。  数字信号处理是利用...
  •  传感器及其相关电路被用来测量各种不同的物理特性,例如温度、力、压力、流量、位置、光强等。这些特性对传感器起激励的作用。传感器的输出经过调理和处理,以对物理特性提供相应的测量。  数字信号处理是利用...
  • 在现代工业控制和系统监测领域,通常需要监测、测量压力和重量。由于压力可直接用来测量流体、高度及其它物理量,压力测量...最常见的应力计有两种:一种是压力传感器大多采用的金属箔;另一种是基于半导体的压阻式压力

    在现代工业控制和系统监测领域,通常需要监测、测量压力和重量。由于压力可直接用来测量流体、高度及其它物理量,压力测量尤其重要。由于加载是影响传感器输出的一项属性,压力、重量测量装置可以看作是“加载传感器”。加载传感器的应用非常广泛,包括从真空计到重型机械称重,以及工业液压设备、绝对压力等各个领域。每种应用对精度、准确度和成本都有不同的具体需求。虽然压力和重量(加载/感应)的测量方法和技术有许多,但最常用的测量装置是应力计。
    最常见的应力计有两种:一种是压力传感器大多采用的金属箔;另一种是基于半导体的压阻式压力传感器,广泛用于压力测量。相对于金属箔压力传感器,压阻式压力传感器灵敏度更高,线性度也更好,但容易受温度的影响,并有一定的初始偏差。从原理上讲,所有应力计在受到外力时都会改变电阻值。因此,有电信号激励时,即可有效地将压力、重量转换成电信号。通常在惠斯通电桥(有时称为测压元件)上放置1个、2个或4个这样的有源电阻元件(应力计),从而产生与压力或重量对应的差分输出电压。工程师可以设计一种能够满足多种加载/感应系统需求的传感器模块。一款成功的设计需要包括用于检测物理量的传感器元件和设计合理的信号链路。
    完备的信号链路方案。
    压力传感器信号链路必须能够处理带有噪声的弱信号。为了准确测量电阻式压力传感器输出电压的变化,电路必须具备以下功能:激励、放大、滤波和采集。有些解决方案可能还要求采用数字信号处理(DSP)技术对信号进行处理、误差补偿、数字放大以及用户可编程操作。
    放大和电平转换模拟端(AFE)
    有些设计中,压力传感器输出电压范围非常小,要求分辨率达到nV级。这种情况下,在将传感器输出信号送至ADC输入之前,必须对信号进行放大。为了防止 放大阶段引入误差,需要选择低失调电压(VOS)、低温漂的低噪声放大器。惠斯通电桥的缺点是共模电压远远大于有用信号。这意味着LNA还必须具有非常高 的共模抑制比(CMRR),通常大于100dB。如果采用单端ADC,则需附加电路在数据采集之前消除较高的共模电压。此外,由于信号带宽很窄,放大器的 1/f噪声也会引入误差。因此,最好采用斩波稳定放大器。使用分辨率非常高的ADC,占用满量程范围的一小部分有助于降低对放大器的苛刻要求。
    激励
    具有极低温漂的高精度、稳定的电压或电流源常常用作压力传感器激励。压力传感器输出与激励源成比例(往往以mV/V表示)。因此,设计时,模/数转换器和激励电路通常采用一个公共基准,或者将激励电压作为ADC的基准。可以利用附加的ADC通道精确测量激励电压。
    传感器/电桥
    信号链路的这部分功能包括应力传感器,它被放置在测压元件(惠斯通电桥设计)部分,如上文中的“概述”部分。
    采集-ADC
    选择ADC时需严格确认其技术指标,例如:无噪声范围或有效分辨率,该指标表示ADC能够辨别固定输入电平的能力。一种替代指标是无噪声计数或编 码。大多数高精度ADC的数据资料把这些指标表示为噪声峰值或RMS 噪声与速度的对应关系表,有时也以噪声直方图的形式表示这些指标。
    其它需要考虑的ADC指标包括:低失调误差、低温漂及优异的线性度。对于特定的低功耗应用,速度与功耗的关系也是非常重要的规格。
    信号调理/集成方案
    有些集成方案把所有需要的功能模块集成在单一芯片,通常称为传感器信号调理器IC。信号调理器是一种专用IC (ASIC),它对输入信号进行补偿、放大和校准,能够覆盖较宽的温度范围。根据对信号调理器的不同精度要求,ASIC会集成以下全部或部分模块:压力传感器激励电路、数/模转换器(DAC)、可编程增益放大器(PGA)、模/数转换器(ADC)、存储器、多路复用器(MUX)、CPU、温度传感器以及数字接口。
    常见的信号调理器有两种类型:模拟信号通路的调理器(模拟调理器)和数字信号通路的调理器(数字调理器)。模拟调理器的响应时间较快,提供连续的输 出信号,反映输入信号的实时变化。它们通常采用硬件补偿机制(不够灵活)。数字调理器往往基于微控制器,由于ADC和DSP算法具有一定的执行时间,响应 时间较慢。应该考虑ADC的分辨率,将量化误差降至最小。数字信号调理器的最大好处是提供灵活的补偿算法,可根据用户的应用进行调整。
    滤波
    传感器信号的带宽一般很窄,对噪声的敏感度较高。因此,通过滤波限制信号的带宽可显著降低总体噪声。利用Σ-Δ ADC能够简化噪声滤波要求,因为这种架构提供固有的过采样特性。
    数字信号处理(DSP)-数字域
    除模拟信号调理外,为了提取信号并降低噪声,还需要在数字域对所采集的信号作进一步处理。通常需要找到针对具体应用及其细微差别的算法。有些通用算法,例如,数字域的失调和增益校准、线性化处理、数字滤波和基于温度(或其它制约因素)的补偿。

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  • 陶瓷压力传感器放大电路的设计

    千次阅读 2015-09-25 23:30:58
    最近刚刚做完一个关于气体压力检测的项目,由于本人模拟电路部分比较薄弱,在传感器放大电路的设计过程中遇到...由于我之前没有陶瓷压力传感器电路设计经验,加之自己也不是什么模拟电路高手,便选择了,先借鉴别人的

    最近刚刚做完一个关于气体压力检测的项目,由于本人模拟电路部分比较薄弱,在传感器放大电路的设计过程中遇到了一系列的问题,在解决这些问题的过程中积累了不少经验,在这里顺便做个总结,一来可以在日后供自己查阅和参考,二来希望把我积累的经验分享给广大电子爱好者和电子工程师,希望大家在以后的设计过程中可以少走弯路。

    由于我之前没有陶瓷压力传感器的电路设计经验,加之自己也不是什么模拟电路高手,便选择了,先借鉴别人的设计设计方案,我先弄来了一块别人的成品电路,原本准备直接照搬过来的,但仔细一看,板上的芯片全部被磨掉了,因此借鉴的难度加大了不少。但是作为一名工程师肯定不能被这点问题难倒吧!好在,我手上的成品电路板是双面板,可以直接看见板上的所有走线(有些看不清的,可以用万用表的二极管档测量出来)。于是我开始着手先把它的原理图绘制出来(目前只能确定板子上的连线,芯片型号仍然是未知),在几经周折之后,终于把原理图完整的画完了。

        接下来就是根据原理图来确定芯片型号的时候了,在确定芯片型号之前,还需要搞清楚的就是传感器的一些基本资料,下面一起来看看。
    

    首先来了解一下陶瓷压力传感器的工作原理和内部结构,陶瓷压力传感器的膜片受到压力时,电阻发生变化,电阻是在芯片内部的,构成一个惠斯通电桥(如果不知道惠斯通电桥的,百度一下就出来了,比较简单,这里也不做过多的解释),当电阻发生变化之后,电桥输出一个mv级的差分信号,这时,我们通过放大电路,把这个差分的毫伏信号放大到伏级,就可以直接通过AD芯片或者单片机的AD采集了,当然还有一点需要注意的就是传感器的供电方式,一般有两种,一种是电压型的,就是输入恒定电压,另一种是电流型的,需要提供一个恒定的电流。我使用的传感器就是1.5mA电流型的,1.5mA是最大电流,电流型的使用起来稍微麻烦一点,需要设计一个恒流源,但其优点是精度相对较高,受温度影响较小,对于高精度的应用场合,电流型更具有优势。

    在搞清楚陶瓷压力传感器的原理和内部结构之后,接下来就需要解决两个问题,一是如何对陶瓷压力传感器输出的毫伏级信号进行放大;二是,1mA的恒流源电路怎么设计。带着这两个问题再来猜测成品电路板中使用的芯片就相对要容易一些,我们首先带着第一个问题,对成品电路板电路进行仔细分析,然后又在网上搜索大量关于“如果对电桥差分信号进行放大”的电路,最后终于确定了用于信号放大的芯片——AD620(关于AD620的详细资料,请大家查看芯片手册),在AD620的芯片手册中,我看到了,芯片官方提供的电桥信号处理电路,如下:
    这里写图片描述

    接下来再来看看,开始留下的第二个问题,1mA的恒流源电路怎么设计,下面先来看看一种比较简单的恒流源电流,电流图如下:

    这里写图片描述
    我们先来简单分析一下这个电路,SVC是标准参考电压,R5是负载,由于上图使用了集成运放,运放的开环放大倍数足够大,且由负载构成了深度负反馈,在根据运放虚短的特点,所以3脚和2脚的电压相等,SVC是标准电压,根据分压原理,3脚可以得到一个稳定的电压,由于三脚和二脚电压相等,二脚也可以维持一个稳定的电压,2脚的电压除以R3//R4的电阻便可以得到通过R5的电流,由于2脚电压不变,R3//R4也是确定值,所以经过R5的电流也是不变的,因此构成了一个恒流源。

    在分析完这个电路之后,再来分析下面这个电路就很简单了,下面这个电路就是成品电路板的,恒流源电路,我们一起来分析一下。

    这里写图片描述

    这个电路可以提供1mA的恒定电流,我们再来分析一下。

    首先使用LM336-2.5这个稳压管,来产生标准的2.5V电压,2.5V电压输入到运放的3脚,运放的1脚和2脚短接,构成了一个电压跟随器,所以1,2脚输出电压也是2.5V,然后R19和R21对2.5V电压进行一个分压,得到5脚电压0.12V,再根据运放虚短,得到6脚电压也是0.12V,所以流过R22的电流为1mA,又因为流过R22的电流等于三极管Ic+Ib,又因为Ic>>Ib,所以Ic约为1mA,所以OUT_A和OUT_B之间的电流约为1mA。

    到此为止,陶瓷压力传感器放大电路设计的两个难点都已经解决了,接下来就是,完成原理图的绘制了,下面是我已经绘制完成的传感器放大电路部分原理图:
    

    由于页面空间有限,图片可能不是很清楚,感兴趣的朋友可以通过以下链接下载完整的原理图。

    这里写图片描述

    “原理图下载链接:

    (由于本人水平有限,文中难免有错误或不妥之处,敬请读者批评指正!转载请注明出处!)

     联系方式:435835181@qq.com
    
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  • 文章目录系列文章目录前言一、采集传感器类型二、使用步骤1.引入库2.读入数据总结欢迎使用Markdown编辑器新的改变功能快捷键合理的创建标题,有助于目录的生成如何改变文本的样式插入链接与图片如何插入一段漂亮的...

    系列文章目录

    第一章 labview中DAQ助手的介绍
    第二章发动机中传感器介绍
    第三章labview中多通道采集传感器数据并处理



    前言

    如果看到我之前文章的朋友,知道我一直一来,写labview软件环境下,利用数据采集卡NI公司生产的USB-6341采集发动机传感器数据和处理的程序。有幸做出一番小的成绩,给大家展示。


    一、采集的传感器类型

    1、输出模拟信号的传感器(输出的特定的电压值所对应的是对应的物理值,中间有个函数关系)

    ①冷却液温度传感器
    ②进气温度传感器
    ③排气温度传感器
    ④进气压力传感器
    ⑤前氧传感器
    ⑥后氧传感器

    2、计数器输出信号的传感器(传感器输出的信号是数字信号)

    ①曲轴位置传感器

    二、传感器的采集程序

    1.前面板和后面程序框图

    后面框图

    在这里插入图片描述

    2.从这个项目中的学习总结

    这次的项目,基本上算是零基础开始学习的,而且总结下来似乎也是自己摸索着走的,这种学习方法只能说太笨了,太笨了,耗费了太多的时间和精力,也没有很好的完成任务。
    所以呢,先说说学习方法。在某个项目的学习中,先去学习大佬的方法,站在大佬的肩膀上,比如去看论文,比如去看别人的教程,请教别人,去模仿别人,学习别人的方法。这种方法简直不能再好用!
    接着说,学习labview编程的方法。去尝试!!!labview软件是一个容易入门的软件,你可以毫无成本的去画程序框图,为什么不多尝试一下,回顾这次项目,每次的成功都是自己在不经意间,多次尝试后发现的一个可以的道路,才干成这件事情的。
    最后,labview编写程序不能浮于表面,容易入门往往难以精深,labview编程就是这样的,对于错误更需要搞清为什么,labview中错误才是进步的号角(对于以后想要深度学习labview的而言)


    总结

    这次的项目算是百分之八十完成了,后续还要去升级更新,快快乐乐的去学习下一项任务吧,之后学习程序,可以可以。

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空空如也

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压力传感器信号采集电路