Verstärkung des Wägezellenverstärkers: Nutzbarer Spannungsausgang

Warum Wägezellensignale so nervig sind

Wägezellen sind überall — Industriewaagen, Kraftmessgeräte, Drehmomentsensoren und sogar die Badezimmerwaage, die Sie immer wieder hacken wollen. Sie sind zuverlässig, genau und basieren auf gut verstandener Physik. Aber sie erzeugen absolut winzige Signale, und genau da laufen die meisten Projekte schief.

Eine typische Wägezelle ist eine Wheatstone-Brücke aus Dehnungsmessstreifen, die mit einem Metallelement verbunden sind. Wenn Sie eine Kraft ausüben, verformt sich das Element, die Widerstände ändern sich und es entsteht eine Differenzspannung. Klingt einfach genug. Das Problem ist die Empfindlichkeit: Die meisten Wägezellen geben bei voller Skala eine Ausgangsleistung zwischen 1 mV/V und 3 mV/V aus. Diese „mV/V“ -Notation bringt die Leute ständig zum Erliegen, also lassen Sie uns eines klarstellen: Sie bedeutet Millivolt Ausgangsleistung pro Volt Erregung bei voller Nennlast.

Wenn Sie also eine 2-mV/V-Wägezelle mit 5 V anregen und sie mit der vollen Nennlast belasten, erhalten Sie 10 mV. Das ist Ihr gesamter Signalbereich. Versuchen Sie, 10 mV in einen 12-Bit-ADC mit einer Referenz von 3,3 V einzuspeisen, und Sie werden ungefähr 12 Zähler Ihres 4096 verwenden. Nicht großartig.

Die Mathematik der Signalkette

Lassen Sie uns aufschlüsseln, was tatsächlich passiert. Die Ausgangsspannung Ihrer Wägezelle beträgt im vollen Umfang:

wobei $V_{EX}$ Ihre Erregerspannung ist und $S$ die Empfindlichkeit in mV/V ist (die Sie in V/V umrechnen müssen, damit die Mathematik funktioniert — aus 2 mV/V werden also 0,002 V/V).

Nach der Verstärkung:

wobei $G$ die Verstärkung Ihres Verstärkers ist. Sie möchten, dass $V_{AMP}$ in der Nähe des vollen Skaleneingangs Ihres ADCs liegt, ohne dass es zu Ausfällen kommt.

Die Empfindlichkeit Ihres Gesamtsystems — die Volt pro Lasteinheit — beträgt:

wobei $F_{FS}$ Ihre Gesamtlast in den Einheiten ist, mit denen Sie arbeiten (kg, lb, N, spielt keine Rolle, solange Sie konsistent sind).

Und wenn Sie auf einen bestimmten ADC-Eingangsbereich abzielen, können Sie rückwärts arbeiten, um die erforderliche Verstärkung zu ermitteln:

Praktisches Beispiel: Eine 100-kg-Wägezelle

Nehmen wir an, Sie haben eine 100-kg-Wägezelle mit einer Empfindlichkeit von 2 mV/V. Sie verwenden eine 10-V-Erregung (was bei Industriezellen üblich ist) und möchten das Signal in einen Mikrocontroller-ADC mit einer 5-V-Referenz einspeisen. In Ihrem Ersatzteilebehälter befindet sich ein INA125-Instrumentenverstärker.

Ermitteln Sie zunächst die Ausgangsleistung in vollem Umfang:

Das ist dein gesamter Signalschwung bei 100 kg. Bei 50 kg würden Sie 10 mV sehen. Bei 1 kg würden Sie 200 µV sehen. Aus diesem Grund benötigen Sie eine Verstärkung.

Um einen 5-V-ADC-Bereich auszufüllen, benötigen Sie:

Bei einer Verstärkung von 250 würde Ihre volle Last also direkt bei 5 V liegen. In der Praxis würden Sie etwas zurückweichen — vielleicht sollten Sie 4,5 V bei voller Skala anstreben, um mehr Kopffreiheit zu haben. Das ist ein Gewinn von 225.

Jetzt stellt der INA125 die Verstärkung mit einem einzigen Widerstand gemäß $G = 4 + \frac{60\text{k}\\Omega}{R_G}$ ein. Für G = 250:

Sie würden wahrscheinlich einen 240 Ω- oder 249-Ω-Widerstand verwenden, je nachdem, was in Ihrem Kit enthalten ist, was Ihnen eine Verstärkung von 254 bzw. 245 ergibt. Nah genug.

Bei einer Verstärkung von 250 wird Ihre Systemempfindlichkeit wie folgt:

Oder äquivalent 20 Zählungen pro Gramm auf einem 12-Bit-ADC. Diese Auflösung ist für die meisten Wägeanwendungen praktikabel.

Kompromisse bei der Erregerspannung

Eine höhere Erregung bedeutet mehr Signal, was großartig ist. Aber es gibt Grenzen.

Die meisten Wägezellen spezifizieren eine maximale Erregerspannung — oft 10 V oder 15 V. Je höher, desto niedriger sind die Dehnungsmessstreifen. Die Verlustleistung in der Brücke beträgt $P = V_{EX}^2 / R_{bridge}$, und bei einer 350-Ω-Brücke bei 10 V sind das fast 300 mW. Die Wärme muss irgendwo hin, und wenn sie thermische Gradienten im Wägezellenkörper verursacht, wird man eine Drift sehen.

Eine geringere Erregung reduziert die Selbsterhitzung, aber Sie erhalten weniger Signale, mit denen Sie arbeiten können. Bei batteriebetriebenen Anwendungen ist eine Erregung mit 3,3 V oder 5 V üblich, und Sie akzeptieren einfach, dass Sie eine höhere Verstärkung benötigen. Eine 2-mV/V-Zelle bei 3,3 V-Erregung liefert nur 6,6 mV im vollen Messbereich — Sie benötigen eine Verstärkung von etwa 750, um einen 5-V-ADC-Bereich abzudecken.

Es stellt sich auch die Frage der Erregungsstabilität. Der Ausgang Ihrer Wägezelle ist ratiometrisch zur Erregerspannung. Wenn Ihre Erregung um 0,1% driftet, driftet Ihr Messwert um 0,1%. Wenn Sie für die Anregung eine Präzisionsreferenz verwenden, oder noch besser, einen ratiometrischen ADC verwenden, der auf dieselbe Versorgung verweist, wird diese Fehlerquelle eliminiert.

Häufige Fehler und Fallstricke

Ich habe die mV/V-Einheiten vergessen

Ich sehe das ständig. Jemand liest „2 mV/V“ auf einem Datenblatt und fügt 2 in seine Verstärkungsberechnung ein, als ob es Volt wären. Das Ergebnis ist eine Verstärkung, die um den Faktor 1000 abweicht. Ihr Verstärkerausgang wird Mikrovolt haben, wenn Sie es erwartet haben, und Sie werden eine Stunde damit verbringen, zu glauben, dass die Wägezelle kaputt ist.

Offsetspannung wird ignoriert

Wägezellen haben einen Nulllastversatz, der in der Regel als Prozentsatz des Skalenendwerts angegeben wird. Eine Zelle mit einem Offset von ± 0,05% bei einer Erregung von 10 V kann einen Offset von ±5 mV aufweisen, bevor Sie überhaupt eine Last anwenden. Nach einer Verstärkung von 250 entspricht das einem Offset von ±1,25 V an Ihrem ADC-Eingang. Wenn Ihr ADC negative Spannungen nicht verarbeiten kann (die meisten MCU-ADCs mit Einzelversorgung können das nicht), liegt ein Problem vor.

Die Lösung besteht entweder in einer Wechselstromkupplung (selten zum Wiegen geeignet), einer Niveauverlagerung oder — am häufigsten — einfach in der Annahme des Offsets und der Kalibrierung in der Software. Sie müssen jedoch sicherstellen, dass Ihr Verstärkerausgang über den gesamten Offsetbereich plus Signalbereich innerhalb des Eingangsbereichs des ADC bleibt.

Auswahl der Verstärkung ohne Berücksichtigung des Rauschens

Eine höhere Verstärkung verstärkt alles, einschließlich Rauschen. Wenn Ihre Wägezelle und Verkabelung Interferenzen von 50 µV aufnehmen, wird dies bei einer Verstärkung von 500 in ein Rauschen von 25 mV an Ihrem ADC umgewandelt. Das können mehrere LSBs auf einem 12-Bit-Konverter sein.

Das Eingangsgeräusch des Instrumentenverstärkers spielt ebenfalls eine Rolle. Ein billiger Verstärker mit 50 nV/√Hz Eingangsrauschen liefert etwa 5 µV RMS bei einer Bandbreite von 10 kHz — nicht schlimm, aber es summiert sich. Gute Wägezellenverstärker wie der INA125 oder AD620 sind für diese Anwendung konzipiert und haben ein geringeres Rauschen.

Vor dem ADC wird nicht gefiltert

Die Signale der Wägezelle sind langsam. Das Gewicht ändert sich bei Kilohertz-Raten nicht (es sei denn, etwas ist schief gelaufen). Ein einfacher RC-Tiefpassfilter vor dem ADC — selbst bei nur 1 kΩ und 100 nF bei einem Cutoff von 1,6 kHz — unterdrückt hochfrequentes Rauschen und verhindert Aliasing. Diesen Schritt zu überspringen, weil „Ich filtere in der Software“ ist faul und kostet Dynamikumfang.

Verwendung der falschen Verstärkertopologie

Eine Wägezelle gibt ein Differenzsignal aus. Bei Verwendung einer einseitigen Operationsverstärkerkonfiguration entfällt die Gleichtaktunterdrückung, die dafür sorgt, dass Wägezellen in lauten Umgebungen gut funktionieren. Verwenden Sie immer einen Instrumentenverstärker oder ein geeignetes Frontend mit Differential- und Single-Ende-Anschluss.

Übersteuerung des Verstärkers

Wenn jemand auf Ihrer 100-kg-Waage steht, sehen Sie vielleicht kurzzeitig 150 kg. Wenn die Verstärkung so eingestellt ist, dass 100 kg bei 5 V anliegen, treibt diese Überlast den Verstärker auf 7,5 V an — nur dass er da nicht hingeht, also klemmt er ab. Manche Verstärker erholen sich nach einem Abschalten sanft, andere brauchen Millisekunden, bis sie wieder da sind. Während dieser Zeit sind Ihre Messwerte Müll. Entwerfen Sie entweder das Design für das Überlastgehäuse oder fügen Sie eine Schutzschaltung hinzu.

Praktische Auswahl an Verstärkungen

Zielen Sie nicht genau auf 100% Ihrer ADC-Reichweite ab. Achten Sie auf 80-90%, um Spielraum für Offset-, Überlast- und Komponententoleranzen zu lassen. Wenn Ihre Berechnungen ergeben, dass Sie eine Verstärkung von 250 benötigen, sollten Sie erwägen, stattdessen 200 zu verwenden.

Überlegen Sie auch, ob Sie analoge Filter oder Pegelverschiebungen vornehmen werden, die Ihren Spannungsbereich belasten. Wenn Sie einen Offset von 0,5 V hinzufügen, um das Signal positiv zu halten, liegt Ihr nutzbarer Bereich jetzt bei 0,5 V bis 5 V, nicht bei 0 bis 5 V.

Und überprüfen Sie, welche Verstärkungswerte Ihr ausgewählter Verstärker tatsächlich erzeugen kann. Die Verstärkungsgleichung des INA125 bedeutet, dass bestimmte Verstärkungen leichter zu erreichen sind als andere. Möglicherweise stellen Sie fest, dass 200 einen Standardwiderstandswert erfordert, während 225 etwas Seltsames erfordert.

Versuch es

Die Mathematik ist nicht schwer, aber es ist leicht, Einheitenfehler zu machen oder irgendwo den Faktor 1000 zu vergessen. Öffnen Sie den Load Cell Amplifier Gain Calculator, um Ihre Zahlen schnell zu überprüfen. Geben Sie die Erregerspannung, die Empfindlichkeit der Wägezelle, die Endlast und die vorgeschlagene Verstärkung ein. Sie sehen sofort den vollen Ausgangswert, die verstärkte Spannung, die Systemempfindlichkeit und die Verstärkung, die Sie benötigen, um einen 5-V-ADC-Bereich zu erreichen. Es handelt sich um eine Plausibilitätsprüfung, die zehn Sekunden dauert und Ihnen möglicherweise einen Nachmittag voller Debugging ersparen kann.