一种基于微机的传感器自动调零电路
摘 要：为了解决所有传感仪表都必须考虑的零点漂移问题，提出了一种基于单片机(微机)控制，使用模数转换器实现传感器自动调零的方法，并给出了硬件设计电路。实验表明，该方法能够快速有效地实现仪表系统的自动调零。
关键词：传感器；自动调零；DAC器件；运算放大器
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-1302(2011)02-0049-03
0 引言
随着电子计算机、机器人、自动控制等技术的迅速发展，对传感器的需求不断增加。而物联网的逐渐兴起，传感器的应用将成爆发式增长。有人说，物联网就是感知网，每一个传感器就是一个信息源。这里的传感器就是将各种被测量转换成电气量的装置，比如将温度、压力、流量等物理量转换成电压的传感器。传感器是检测系统的第一个环节。它是以一定的精度把被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的某种量值的测量装置。
传感器的零点偏移就是，在被测量的物理量是零的时候，其输出不是零。零点偏移的原因，一部分是传感器制造过程中形成的产品参数的分散性；另一部分是使用时环境因素造成的参数改变，比如温度、湿度、气压和电磁场等的影响。
传感器由于各种原因引起的零点偏移和非线性变化都会影响测量结果。为了消除这些因素对测量结果的影响，人们采取了许多办法。这些办法各有千秋，本文重点讨论一种新的零点偏移的消除方法。
1 总体设计
一般传感器的输出信号都要经过放大，再送到ADC进行模数转换，然后送到微机进行处理，最后才将处理后的数据送到需要的地方。图1所示是一般数据采集系统的结构框图。
一般的传感器都会有零点偏移。零点偏移可以分为大偏移和小偏移。暂且把偏移量在额定输出的10％以内看做小偏移，而大于10％的可以看成大偏移。大偏移如果不及早消除，还会在后面的放大器中出现，从而使放大器的输出超过动态范围，造成失真，只好减小放大倍数。这样，经过一定位数的ADC将信号转换成数字量后，还应扣除这一部分零点偏移的数量，这将使有用信号分辨率降低。而采用更高分辨率的ADC，又会使成本增加。消除零点偏移的最好办法是在信号幅度比较小的时候进行。这个比较小是与放大电路的动态范围相比较的。
基于以上思路设计的传感器自动调零电路如图2所示。该电路先将传感器的输出信号进行一次放大，然后消除零点偏移，之后再次放大到ADC电路所需要的幅度，或者达到某一标准幅值。
零点偏移的消除方法是，在传感器的输入量为零的情况下，用微机测量ADC的输出值，同时计算出传感器(经放大器1放大的)输出的偏差的大小和正负，然后控制偏差电压产生电路产生一个与所计算偏差大小相等方向相反的补偿电压，以抵消传感器出现的零点偏移。
这里的消除零点偏移，也可能是彻底消除，这是最好的结果。也可能是绝大部分消除，但还有很小的偏差，只对放大器的动态范围影响很小，经过放大和模数转换后，可再由微机软件来消除。大多数情况下都会采用后一种方法。因为放大器本身也会受各种因素影响产生零点漂移。这些漂移也是需要处理的。许多情况下，传感器的非线性补偿也是在微机中利用软件来进行。
2 缓冲放大电路
图2中的放大器1主要起缓冲作用。要采用输入阻抗高且共模抑制比高的放大电路来担当，一般可采用高性能仪表放大器。图3所示是采用AD620仪表放大器的传感器放大电路。
电阻应变式称重传感器是一种将力信号转换为电信号的机电元件，可广泛应用于电子称重领域，以及自动控制和自动检测领域等，是稱重和检测系统的核心元器件之一。
该电路选用的仪表放大器芯片AD620，具有高的共模抑制比，且具有低噪音、低输入偏置电流和低功耗特性，工作电源范围为±2.3～±18V。该电路仅需一个外接电阻RG即可得到1～1000内的任意增益范围，增益G=49.4 kQ／RG+1。放大后的信号再送给下一级处理。(本电路节选自ADI公司的放大器数据手册)
3 补偿电压产生电路
图2中的补偿电压产生电路模块的具体电路如图4所示。
该电路由正负电压产生电路、限幅电路和幅度调节电路等几部份组成。比较器的同相输入端接一个固定的电压(约1.7 V)，反相输入端接微机的一个输出口(K2)。当该端口线输出高电平时(大于1.7 V)，比较器输出负电压，当该端口线输出低电平时(小于1.7 V)，比较器输出正电压。就是说，由微机来控制其产生正(或负)电压。产生的电压由一对反并联的二极管实现限幅，其输出电压被限制在-0.7～+0.7 V之间。这个电压再经过一个电位器调节，就可以输出一个比较小的固定电压(比如25毫伏)送给DAC0832的VREF端。DAC0832本来是做数模转换器使用的，其输出与参考电压VREF成正比，也与数据量D7～DO的数值成正比[1“。利用这一特性可将电位器产生的固定电压送给DAC的VREF，以使其输出在微机给出的数字量的控制下进一步衰减。DAC0832的输出端接运放LM324，可将电流转换成电压，形成最终的偏差补偿输出电压。
图4中，补偿控制端K1的作用是控制调零所需数字量(D7～DO)是否允许输入DAC0832，当K1为O时，允许来自微机的数据进人DAC0832，K1为1则不允许。进入DAC0832的数据将保存在内部寄存器中并立即影响输出，直到重新进入新的数据。图4中的K1、K2、D7～DO均来自微机。4求和放大电路
图2中的放大器2也是一个运算放大器，其典型的电路连接方法如图5所示。
图5中电路仍采用AD620，由于AD620的优良性能，可以对来自放大器1和偏差补偿电路的2路信号求代数和，然后进行精确放大。图5中Rc是放大倍数设置电阻，可以根据RG需要调节电路的放大倍数，放大倍数为G=49.4 kft／RG+1。
以上数据采集通道还需要在具体应用过程中根据具体情况加以完善，比如抗干扰和滤波等环节。
5 结语
本文设计的自动调零电路的好处是可以在即将进行测量的时候进行一次自动调零，这时候的调零是测量系统在实际工作环境下，适应环境的一个过程。因为这里的调零已经把环境引起的零点偏移一起消除了。
本文设计的传感器自动调零电路是在微机的控制下自动进行调零，因而比一些组合逻辑电路设计的自动调零电路更加完善和更加智能化。在传感器调零之后，它还可以进行更加精确的软件调零，同时进行非线性补偿。本电路现在已经应用在某数据采集系统上。事实上，今后还可以对放大器进行改进，利用微机控制放大倍数，自动改变量程。