本實用新型涉及力信號調(diào)理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高精度寬溫度范圍的力信號調(diào)理裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)在技術(shù)中的力信號調(diào)理裝置存在以下缺陷：

(1)電源供電精度不高，沒有專用的供電電源，而力傳感器的靈敏度與供電電壓成正比，供電電壓的精度直接影響調(diào)理電路的測量精度；

(2)放大電路通常不能直接放大相應(yīng)的倍數(shù)，增加了電路設(shè)計上的復(fù)雜度，芯片的溫漂特性和增益精度也影響了調(diào)理電路的測量精度；

(3)沒有注意濾波網(wǎng)絡(luò)和地層鋪銅的設(shè)計，電路各模塊和各回路地之間的干擾會影響調(diào)理電路的測量精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的旨在至少解決所述技術(shù)缺陷之一。

為此，本實用新型的目的在于提出一種高精度寬溫度范圍的力信號調(diào)理裝置，具有高精度、寬溫度范圍、抗振蕩抗灰塵抗煙霧，具有長期穩(wěn)定性的特點。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的實施例提供一種高精度寬溫度范圍的力信號調(diào)理裝置，包括：輸入接口、信號放大模塊、電源及傳輸接口、電源濾波模塊和電壓轉(zhuǎn)換模塊，其中，所述電源及傳輸接口的輸入端接電源電壓信號；所述電源濾波模塊的輸入端與所述電源及傳輸接口的輸出端相連，以對接入的所述電源電壓信號進行濾波和電源隔離，所述電源濾波模塊的輸出端與所述電壓轉(zhuǎn)換模塊和所述信號放大模塊的輸入端相連；所述電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與所述電源濾波模塊的輸出端和所述輸入接口的供電端相連，以對來自所述電源濾波模塊的電壓信號進行電壓轉(zhuǎn)換，并對所述輸入接口供電；所述輸入接口的輸入端與外部的力傳感器相連，以接收所述力傳感器測量出的力信號，所述輸入接口的輸出端與所述信號放大模塊的輸入端相連，以由所述信號放大模塊對所述力信號進行信號放大； 所述電源及傳輸接口的輸入端進一步與所述信號放大模塊的輸出端相連，以由所述電源及傳輸接口輸出放大后的力信號。

進一步，所述電源濾波模塊包括：用于對所述電壓轉(zhuǎn)換模塊和信號放大模塊進行隔離的多個磁珠和用于對所述電源電壓信號進行濾波的多個電容，其中，所述電容位于所述磁珠的輸出端的后側(cè)。

進一步，所述多個電容包括：第一電容組和第二電容組，所述第一電容組和第二電容組均包括多個電容，其中，所述第一電容組中電容的電容值高于所述第二電容組中電容的電容值，所述第一電容組中的電容設(shè)置于靠近所述磁珠的輸出端，所述第二電容組中的電容設(shè)置于供電管腳處。

進一步，所述電源及傳輸接口的輸入端與外部的DC/DC模塊相連，以接入由所述DC/DC模塊轉(zhuǎn)換得到的所述電源電壓信號。

進一步，所述電壓轉(zhuǎn)換模塊包括：基準(zhǔn)電壓芯片、分壓電路和三極管增流電路，所述基準(zhǔn)電壓芯片的輸出端分別與所述分壓電路的輸入端相連，所述分壓電路的輸出端與所述三極管增流電路的輸入端相連，所述三極管增流電路的輸出端與所述輸入接口的輸入端相連。

進一步，所述信號放大模塊采用型號為AD624S的信號放大芯片。

根據(jù)本實用新型實施例的高精度寬溫度范圍的力信號調(diào)理裝置，具有高精度、寬溫度范圍、抗振蕩抗灰塵抗煙霧，具有長期穩(wěn)定性的特點。具體地，本發(fā)明實用新型實施例的高精度寬溫度范圍的力信號調(diào)理裝置采用由磁珠和電容對電路進行多次濾波，并對放大電路與電壓轉(zhuǎn)化模塊進行電源隔離，采用π型濾波網(wǎng)絡(luò)，減少電源噪聲對精度的影響并消除模塊之間的相互干擾。在工藝上，地層鋪銅時，保證兩個回路地隔離，減少相互干擾。在電壓轉(zhuǎn)換模塊中采用LINEAR公司的LH0070-2H芯片，它溫漂很小，準(zhǔn)確度高，滿足本實用新型對精度的要求。基準(zhǔn)電壓源的輸出電流一般很小，為了保證供電的穩(wěn)定性和精度，同時采用了三極管增流和分壓電路兩種方式增大電流，避免了工作時電流倒灌，同時通過三極管增強了基準(zhǔn)芯片的驅(qū)動能力，精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓芯片保證了輸出10V電壓的精度，也降低了成本。本發(fā)明的信號放大模塊選用AD公司的AD624S芯片，它具有精度更高，溫度范圍大，穩(wěn)定性好的特點，并且它可以通過外部管腳配置成固定250倍增益，方便電路設(shè)計。

本實用新型附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。

附圖說明

本實用新型的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的高精度寬溫度范圍的力信號調(diào)理裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖2(a)和(b)為根據(jù)本發(fā)明實施例的電源濾波模塊的電路圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的電壓轉(zhuǎn)換模塊的電路圖。

具體實施方式

下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。

如圖1所示，本實用新型實施例的高精度寬溫度范圍的力信號調(diào)理裝置，包括：輸入接口1、信號放大模塊2、電源及傳輸接口3、電源濾波模塊4和電壓轉(zhuǎn)換模塊5。

具體地，電源及傳輸接口的輸入端接電源電壓信號。其中，電源及傳輸接口的輸入端與外部的DC/DC模塊相連，以接入由DC/DC模塊轉(zhuǎn)換得到的電源電壓信號。其中，該電源電壓信號可以為±12V電壓。

電源濾波模塊的輸入端與電源及傳輸接口的輸出端相連，以對接入的電源電壓信號進行濾波和電源隔離。電源濾波模塊的輸出端與電壓轉(zhuǎn)換模塊和信號放大模塊的輸入端相連。

由于電源及傳輸接口輸出的電源電壓信號存在嚴重的噪聲干擾，因此在將電源信號提供到信號放大模塊之前，對其進行濾波。

在本發(fā)明的一個實施例中，電源濾波模塊包括：多個磁珠和多個電容，其中，電容位于磁珠的輸出端的后側(cè)。磁珠用于對電壓轉(zhuǎn)換模塊和信號放大模塊進行隔離，電容用于對電源電壓信號進行濾波。圖2(a)為對+12V電壓進行濾波的電源濾波模塊的電路圖，圖2(b)為對-12V電壓進行濾波的電源濾波模塊的電路圖。

多個電容包括：第一電容組和第二電容組，第一電容組和第二電容組均包括多個電容。其中，第一電容組中電容的電容值高于第二電容組中電容的電容值。并且，第一電容組中的電容設(shè)置于靠近磁珠的輸出端，第二電容組中的電容設(shè)置于供電管腳處。

具體地，在±12V電壓的輸入端，放置第一電容組和第二電容組。第一電容組(C1，C8)的容值選擇10uF左右，用于濾除低頻開關(guān)噪聲。第二電容組(C4，C7)的容值為0.1uF，用于濾除電磁波等高頻噪聲。為了更好的濾波效果，第二電容組緊靠供電端口放置。

放大電路通道之間，采用磁珠(L1，L2，L3，L10，L11，L12)對信號放大模塊與電壓 轉(zhuǎn)換模塊之間進行隔離，防止相互影響。在磁珠輸出端，通過第一和第二電容組對電源噪聲進行再次濾除，第一電容組安置在靠近磁珠處，第二電容組則安置在芯片供電管腳處，更好的消除高低頻噪聲帶來的影響。另外兩級電容和中間的磁珠形成了一個π型濾波網(wǎng)絡(luò)，能夠起到更好的濾波效果。

進一步，對地層鋪銅時，將上下兩個通道分別鋪銅，在上下兩塊銅應(yīng)保持一定的間隔，在供電端，將兩塊銅皮連到一起，保證兩個放大電路的地回路相互隔離，避免兩塊放大芯片互相干擾。

電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與電源濾波模塊的輸出端和輸入接口的供電端相連，對來自電源濾波模塊的電壓信號進行電壓轉(zhuǎn)換，并對輸入接口供電。

在本發(fā)明的一個實施例中，電壓轉(zhuǎn)換模塊包括：基準(zhǔn)電壓芯片、分壓電路和三極管增流電路。其中，基準(zhǔn)電壓芯片的輸出端分別與分壓電路的輸入端相連，分壓電路的輸出端與三極管增流電路的輸入端相連，三極管增流電路的輸出端與輸入接口的輸入端相連。圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的電壓轉(zhuǎn)換模塊的電路圖。

具體地，以WMC型傳感器為例，它具有精度高，穩(wěn)定性好和工作溫度范圍寬的優(yōu)點。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個惠斯登電橋，電阻為350歐姆。在工作范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓值，與供電電壓和壓力成正比例關(guān)系。傳感器輸出最大電壓與供電電壓的比例因子是2mV/V，即10V供電電壓時，力傳感器最大輸出20mV的信號。因此供電電壓的精度直接影響到放大電路輸出測量的精度。

普通的LDO芯片，其準(zhǔn)確度一般在3％～5％左右，難以滿足本發(fā)明要求，而DC/DC模塊的精度比LDO更差，也不可使用。因此，本發(fā)明采用10V基準(zhǔn)電壓源作為傳感器的供電電壓，以保證測量結(jié)果的精度。同時，該芯片必須滿足-55℃～90℃的溫度要求。

優(yōu)選的，基準(zhǔn)電壓芯片采用LINEAR公司的LH0070-2H芯片。它的最小輸入電壓為11V，溫漂為5ppm/℃，在-55℃時，輸出準(zhǔn)確度為0.2％，滿足本實用新型對精度的要求。

但是基準(zhǔn)電壓源的輸出電流一般很小，LH0070-2H最大只可輸出10mA的電流。而后級需要帶動的是一個電阻為350歐姆的芯片，當(dāng)10V供電時，所需要的電流應(yīng)為28.5mA：

10V/350Ω＝28.5mA

所以只用一個電壓芯片無法帶動350歐的力傳感器。

通過以下兩種方法可解決上述問題：

(1)采用三個基準(zhǔn)電壓并聯(lián)的方式，將三個基準(zhǔn)電壓芯片的輸出電流合成一路，以提高帶負載能力。這種方式雖然可以實現(xiàn)供電，但是系統(tǒng)設(shè)計成本較高。同時，各個芯片輸出電壓存在細微的差異，工作時，可能會出現(xiàn)電流倒灌的現(xiàn)象，長期工作的話會影響電壓 芯片的精度，導(dǎo)致性能惡化。

(2)采用三極管增流電路來實現(xiàn)，當(dāng)后級負載電阻很小時，提高輸出電流，將輸出電壓穩(wěn)定在10V。

另外針對惠斯通電橋的特點，還有另外一種增流電路的設(shè)計。其基本原理是：電橋的電阻固定為350歐姆，即使在工作中，變化也很小。因此可以通過外部電阻將供電電壓進行分壓，使得電橋兩端電壓在10V左右，然后通過基準(zhǔn)電壓芯片來保證供電的精度。

在本本發(fā)明中，為了保證供電的穩(wěn)定性和精度，同時采用了這兩種增流電路。首先通過分壓電路將電橋兩端電壓設(shè)置在10V。設(shè)傳感器需串聯(lián)電阻值為x，則

$\frac{12-10}{x}=\frac{10}{350}$

計算得到x為70歐姆。實際中，為了避免工作時電流倒灌入電壓芯片中，電阻值應(yīng)取稍大一點(如71.5歐姆，73.2歐姆)。三極管增流電路增強了基準(zhǔn)電壓芯片的驅(qū)動能力，采用精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓芯片保證輸出10V電壓的精度。按照芯片手冊建議，在輸出端增加1uF電容對10V電壓進行濾波。

輸入接口的輸入端與外部的力傳感器相連，輸入接口的輸出端與信號放大模塊的輸入端相連，接收力傳感器測量出的力信號，以由信號放大模塊對力信號進行信號放大。

在本發(fā)明的一個實施例中，信號放大模塊采用型號為AD624S的信號放大芯片。信號放大芯片需要完成將-20mV～20mV差分信號放大至-5V～5V的功能，即放大倍數(shù)為250倍。同時要滿足全溫度范圍-55℃～90℃內(nèi)，精度為0.5％的要求。AD624S的信號放大芯片是一款軍品級的芯片，最大可配置增益為1000倍，同時具有良好的溫漂特性和增益精度。另外，它可以通過外部管腳配置成固定250倍增益，方便電路設(shè)計。該放大器共有16個管腳，管腳1，2分別是差分小信號輸入管腳，管腳3，11，12，13，16是放大增益控制管腳，當(dāng)需要配置成250倍增益時，需將3腳與12腳相連，11腳與13腳相連。即可在輸出端管腳9處得到所需要的250倍放大輸出電壓。

電源及傳輸接口的輸入端進一步與信號放大模塊的輸出端相連，以由電源及傳輸接口輸出放大后的力信號。

根據(jù)本實用新型實施例的高精度寬溫度范圍的力信號調(diào)理裝置，具有高精度、寬溫度范圍、抗振蕩抗灰塵抗煙霧，具有長期穩(wěn)定性的特點。具體地，本發(fā)明實用新型實施例的高精度寬溫度范圍的力信號調(diào)理裝置采用由磁珠和電容對電路進行多次濾波，并對放大電路與電壓轉(zhuǎn)化模塊進行電源隔離，采用π型濾波網(wǎng)絡(luò)，減少電源噪聲對精度的影響并消除模塊之間的相互干擾。在工藝上，地層鋪銅時，保證兩個回路地隔離，減少相互干擾。在 電壓轉(zhuǎn)換模塊中采用LINEAR公司的LH0070-2H芯片，它溫漂很小，準(zhǔn)確度高，滿足本實用新型對精度的要求。基準(zhǔn)電壓源的輸出電流一般很小，為了保證供電的穩(wěn)定性和精度，同時采用了三極管增流和分壓電路兩種方式增大電流，避免了工作時電流倒灌，同時通過三極管增強了基準(zhǔn)芯片的驅(qū)動能力，精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓芯片保證了輸出10V電壓的精度，也降低了成本。本發(fā)明的信號放大模塊選用AD公司的AD624S芯片，它具有精度更高，溫度范圍大，穩(wěn)定性好的特點，并且它可以通過外部管腳配置成固定250倍增益，方便電路設(shè)計。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本實用新型的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本實用新型的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本實用新型的原理和宗旨的情況下在本實用新型的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。本實用新型的范圍由所附權(quán)利要求極其等同限定。