全国大学生电子设计竞赛2012年TI杯模拟电子系统专题邀请赛
简易电子称（B题）
组号33
成员王国鹏李多杨彬祺
2012年8月29日
摘要
本设计主要采用精密低功耗仪表放大器INA333及16位高精度AD—ADS1114完成了简易电子称的设计制作。

系统主要分为传感器模块，放大器模块，模数转换模块，处理器模块。

从应变片电阻出来的微弱信号通过接入放大器的第一级（精密低功耗仪表放大器INA333），该放大器对微弱信号放大了1000倍，放大后的信号经过第二级INA333之后消除自身（即空盘）的误差。

最后使用精密运放OPA2333对信号放大进入16位模数转换器—ADS1114。

AD采集的数据读入到MSP430F5529处理器中利用最小二乘法进行拟合和补偿，并采用数字滤波处理，实现了10g到200g 砝码的测量结果的数显。

关键字 INA333 OPA2333 ADS1114线性拟合
目录
1系统方案 (3)
1.1 放大器的论证与选择 (3)
1.2 模数转换器的论证与选择 (3)
1.3 其他 (3)
2理论分析与计算 (3)
2.1噪声电压的分析 (3)
2.1.1 电阻热噪声的计算 (3)
2.1.2 放大器输入噪声的计算 (3)
2.2各级放大倍数的计算 (4)
2.2.1 第一级放大倍数 (4)
2.2.2 第二级放大倍数 (4)
2.2.3 第三级放大倍数 (4)
3电路设计 (4)
3.1系统总体框图..................................................................................... 错误!未定义书签。

3.2放大器子系统框图与电路原理图 (4)
3.3模数转换与处理器子系统框图与电路原理图 (5)
3.4电源子系统 (5)
4系统测试........................................................................................................ 错误!未定义书签。

4.1测试方案............................................................................................. 错误!未定义书签。

4.2测试条件与仪器 (5)
4.3测试结果 (6)
简易电子称（B题）
1系统方案
本系统主要由传感器模块、放大器模块、模数转换模块、处理器模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 放大器的论证与选择
方案一：采用OPA2333级联对信号进行放大，但由于该运放不是差分输入，共模抑制比较低，所以不采用此方案。

方案二：采用精密低功耗仪表放大器INA333对信号放大，弥补了方案一共模抑制比较低的不足，综合以上二种方案，选择方案二。

1.2 模数转换的论证与选择
方案一：采用MSP430F5529片内12位ADC，由于电阻应变片灵敏度较低，12位ADC的分辨率和精度难以满足指标要求，所以不采用此方案。

方案二：采用16位Σ-Δ架构的ADS1114进行模数转换，分辨率大为提高，满足指标要求。

综合以上二种方案，选择方案二。

1.3 其他
处理器采用组委会规定的MSP430F5529平台，传感器模块采用比赛现场提供的简易托盘秤。

2理论分析与计算
2.1 噪声电压的分析
2.1.1 电阻热噪声的计算
对于仪表放大器来说，由于是反向放大，所以电阻热噪声表现在Rg上面。

并且由于系统级联，所以第一级电阻热噪声对系统影响最大，而电阻热噪声公式为
因此电阻Rg=100欧姆时，产生的噪声电压均方根值为0.039uVpp。

2.1.2 放大器输入噪声的计算
INA333的输入噪声在0.1Hz到10Hz的时候为1uVpp，因此在我们设置增益为10000倍的情况下，输出的噪声为10mVpp。

又由于第一级增益为1000，因此第一级的输出噪声为1mVpp，相对于第二级的输入噪声来说比较大，因此第二级以后的输入噪声可以忽略不计。

2.2 各级放大倍数的计算
2.2.1第一级放大
INA333的最大放大倍数为1000。

因为我们是对直流放大，因此对带宽的要求不是很高。

为了保证系统良好的信噪比，我们将第一级增益设置为1000。

2.2.2第二级放大
第二级INA333的作用是为了消除电桥固定不平衡带来的失调电压。

这个电压经实测大约有300mV左右，因此第二级INA333的使用为差分放大，减去300mV的直流量以抵消这个失调。

因此我们将增益配置为5倍。

2.2.3第三级放大
第三级放大采用精密运放OPA2333对INA333的输出信号进行放大，来驱动后级的16位ADC。

而ADC的参考电压为2.048V，因此ADC的输入范围在2V以内。

经实测，加入200g砝码的时候，前级放大产生的电压大约有700mV左右，因此我们将第三级放大器增益配置为2，来满足ADC量程范围。

3电路设计
3.1系统总体框图
系统总体框图如图1所示
图1 系统总体框图
3.2 放大器子系统电路原理图
图2 放大器子系统电路
3.3
图3 模数转换与处理器子系统框图
3.4 电源子系统
电源由变压部分、整流部分、滤波部分、稳压部分组成。

为整个系统提供+5V 和+3.3V 电压，分别提供给放大器和处理器，确保系统的正常稳定工作。

这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。

4系统测试
4.1 校准方法
采用最小二乘法拟合，由于电桥的非线性，在压力偏离零位较大时，增加抛物线拟合，对电桥的非线性起到了较好的补偿。

10g-200g 时拟合曲线如下，其中横坐标表示电桥输出经过放大后的电压，纵坐标表示砝码质量，单位分别为0.1mV 、0.01g
图4 最小二乘法拟合曲线
4.2 测试条件
测试条件：系统原理图、仿真电路以及硬件电路三者完全一致，硬件电路无虚焊，16位ADCADS1114
16位超低功耗单片机MSP430F5529 IIC 总线
液晶显示屏
键盘输入
电源无短路，处理器程序正常运行。

测试仪器（厂家、型号）
数字万用表：优利德、UT803，安捷伦、U1272A；
稳压电源：ZHONGCE、DF1731SC2A。

4.3 测试结果
注：以上测量结果均满足稳定时间小于5S的要求。