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提升AD值稳定,各类0.01mV以上模拟量输入的电路设计

更新时间:作者:小小条

我相信很多人在设计上都有着丰富的经验,这里推荐几个本人设计并实践过的简单电路,本篇实际是之前一篇文章的细化解释。希望能通过自己的工作经历给其他同业者一些思路上的参考。

提升AD值稳定,各类0.01mV以上模拟量输入的电路设计

这里介绍的输入主要是π型滤波,这种方式是目前最稳定的小信号输入方式之一,我也争取用通俗的语言把原理描述清楚,这个原理仅代表个人水平与总结,不抵触官方传统说法。


独立供电方式的AD主板,TVS根据情况选装

上图是效果非常好的一种常见电路设计,一个单片机加一个AD芯片,通过显示窗口可以读出传感器给出的变化值。如使用更稳定的电源与精度更高的AD芯片就可以组成一个传统意义上的电子秤电路。(实际就是一个可以测量变化值的万用表,区别就是数值代表的单位不同)

这个电路特点是独立桥压(惠斯登电桥的电源,图中整流电路被简化),这种方式可以避免使用磁珠去隔离模拟地与数字地。

π型滤波不用考虑的太复杂,就是一种具有两级缓冲的平波电路,可以理解成两个T型滤波的组合。

滤波的本意是去除不要的频率与杂波,在这的几个电容目的实际是利用电容端电压不能突变的原理,与电阻配合形成两次过渡时间,以提高输入端对动态冲击变化的稳定性(降低摆幅)。

上图中需要注意的重点:请注意加粗的蓝色线,实际使用时也需这样布线,深蓝色部分禁止与任何电路连接,不能安装图上打叉的磁珠,不能与底板覆铜连接。



单组供电方式的AD主板

上图为单电源绕组供电方式的主板,为了避免单片机与AD芯片工作时产生的高频噪声,通过一个磁珠进行隔离。如果PCB布线能按图操作,磁珠作用其实已没有那么重要了。

磁珠与电感的区别:电感是储能元件,是磁心在内,当然也可以在外的多圈线圈,目的是保持输出电流的持续与隔离部分频率(续流作用与带阻),电感量取值根据负载电流计算,大了小了均不合适(很多抄板的设计员会说都可以,其实也是可以的,这个只有极端情况才能体现出计算值的重要性,能满足电源正常波动区间即可)。磁珠是耗能原件,是一根导线穿过一个磁环,目的是隔离振荡减少干扰模拟量的数值晃动(因为模拟地不稳),可以阻止布线产生的自激与辐射,简单理解就是将快速抖动的信号杂波降幅变平稳,该值大小选用与工作频率有关,频率越高磁环越小。

通常电感放电源正,磁珠放电源负。

谁是磁珠谁是电感?图片来自善良的网络

谁是磁珠谁是电感?图片来自网络

几个重要零件的作用

图中R7电阻,作用是满足稳压电源最小工作电流,否则电源会飘动不稳定,电容C取值不宜太大。

R2、R5电阻,传感器尽量不要直接送入AD芯片,电阻前也不建议再装电容。除EMI、EMC原因以外,还因为在这里,我们要将电桥或传感器的输入当电源,而不是信号。信号是幅度,电源是能力。在这里增加电容或直接送入AD芯片,会降低信号的准确性与线性度,特别是受干扰后会损坏后级电路,这两个实际就是增大输入的电阻。该阻值不能无限增大,因为AD芯片输入端只是理论上的无穷大,实际测量还是有几微安的存在。

本电路需要与软件算法配合使用,当然不改软件也会提高硬件的稳定性。滤波本身也会降低线性度,也需要软件调整。

软件扫描内码的算法建议,这是之前与我合作的老工程师的方法,我们上图的产品可以在50mV满值的32767(15位)AD芯片内做到一个内码值不动的效果(2个μV吧,近乎把廉价芯片的最大能力开发了出来,同时对强电磁如高功率对讲机完全免疫)。

取当前值与前三组值比较,结果与再前三组比较,再作为当前值。以此类推。

需要注意,有些软件算法不好,会在读取内码值时读到随机数,就会出现显示值不断跳动情况,可以短路AD输入端或给出一个固定值,以检测是否为软件问题,避免时间被浪费在解决AD芯片和传感器上。

大于毫伏级的信号可以通过电阻分压方式引入信号,尽量以共模方式布线。

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