一種實時動態重量信號處理電路模塊的制作方法

本發明涉及一種信號處理電路模塊，特別涉及了應用于工業現場的一種實時動態重量信號處理電路模塊。

背景技術：

動態重量測試技術被廣泛應用于工業現場產品檢測和分選環節中。通常重量傳感器被安裝在傳送帶的某個固定位置，當被測物經過該位置時，傳感器輸出重量信號。在動態傳送帶系統中，當產品到達重量傳感器時，由于要求產品動態重量計量的速度較快，產品重量加載在傳感器上的時間很短(在幾百毫秒以內)。另外由于傳送帶運行過程中的機械振動、產品翻滾振動等干擾因素的影響，真實的產品重量會被淹沒在各種干擾載荷之中，給動態重量實現高精度測量造成很大困難。因此在外界隨機干擾作用下，如何排除干擾載荷，準確測量被測物真實重量，是動態重量測試系統的技術難點和關鍵所在。

目前，工業現場動態實時重量信號調理主要利用工業通用的電壓信號調理電路來實現信號放大、濾波以及壓流轉換等功能。但是由于動態重量信號有保持時間短變化快的特點，在加上動態重量設備和重量對象的差異，現有的信號處理電路模塊難以滿足動態重量設備重量信號響應快，工況差異大的需求，無法實現高精度的動態重量。

隨著產品市場和工業現場的需求發展，迫切需要一種適用范圍廣，動態性能好的信號處理電路模塊。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在的上述技術問題，本發明的目的在于提供一種實時動態重量信號處理電路模塊，能夠用于動態重量設備的信號處理，對動態重量信號進行調理，并且濾波器截止頻率可調，解決工業現場動態重量精度低的問題。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

本發明包括電源管理電路、信號放大電路、信號濾波電路、電壓轉電流電路和傳感器激勵電壓電路；其中電源管理電路分別與信號放大電路、信號濾波電路、電壓轉電流電路和傳感器激勵電壓電路相連接進行供電，信號放大電路、信號濾波電路、電壓轉電流電路順次連接并作為傳感器動態重量信號的通路。

動態重量信號輸入到信號放大電路放大，然后輸入到信號濾波電路濾波，最后輸入到電壓轉電流電路轉化為電流的調理后的重量信號，傳感器激勵電壓電路連接傳感器用以驅動傳感器。

所述電源管理電路包括電源接口con1、電容c1～c14、電阻r1、二極管d1、發光二極管d2、24v轉±15v電源轉換模塊u1以及穩壓芯片u2～u5，電路經電源接口con1接+24v供電，二極管d1的陽極接+24v電源正極，二極管d1的陰極經鉭電容c1與模擬地(agnd)相連，二極管d1的陰極與24v轉±15v電源轉換模塊u1的輸入端vin腳相連，二極管d1的陰極經電阻r1和發光二極管d2再接模擬地(agnd)；24v轉±15v電源轉換模塊u1的電源輸出端-vo和+vo腳分別輸出-15v和+15v電源，并分別通過并聯的電容c3、c4以及電容c5、c6接模擬地(agnd)；穩壓芯片u2的輸入端vin腳接+15v電源，輸出端vout腳輸出﹢12v電源，輸出端vout腳通過并聯的電容c7和c8接模擬地(agnd)；穩壓芯片u2輸出的+12v電源接穩壓芯片u4的5、7、8腳，穩壓芯片u4的輸出端1腳和2腳相連接并輸出5v電源，并通過并聯的電容c11和c12接模擬地(agnd)，同時穩壓芯片u4的1腳和2腳通過電容c2連接到3腳，穩壓芯片u4的4腳接模擬地(agnd)；穩壓芯片u3的輸入端vin腳接-15v電源，穩壓芯片u3的輸出端vout腳輸出-12v電源并通過并聯的電容c9和c10接模擬地(agnd)；穩壓芯片u5的輸入端vin腳接-12v電源，u5的輸出端vout腳輸出-5v電源并通過并聯的電容c13和c14接模擬地(agnd)。

所述的信號放大電路包括接口con2和接口con3、運算放大器芯片u6和u7、電位器vr1和vr2、電阻r2～r6和電容c15～c22，原始的動態重量信號由接口con2接入電路，接口con2的兩個腳分別與運算放大器芯片u6的輸入端5腳和4腳相連；運算放大器芯片u6的2腳依次經過電阻r2、電位器vr1和自身的15腳相連；運算放大器芯片u6的10腳接模擬地(agnd)，運算放大器芯片u6的電源引腳13腳和7腳分別接+12v和-12v電源，并分別經過并聯的電容c15、c16以及電容c17、c18接模擬地(agnd)；運算放大器芯片u6的11腳和12腳相連，并經過電阻r5與運算放大器芯片u7的反向輸入端2腳相連，運算放大器芯片u7的3腳經過電阻r6接模擬地(agnd)，運算放大器芯片u7的7腳和4腳分別接+12v和-12v電源，并分別經過并聯電容c19、c20以及c21、c22接模擬地(agnd)；電阻r3的一端和電位器vr2的公共腳相連，電位器vr2兩端分別連接模擬地(agnd)和+5v電源，電阻r3的另一端和運算放大器芯片u7的2腳相連，運算放大器芯片u7的2腳通過電阻r4和自身的6腳相連，運算放大器芯片u7的6腳作為信號放大電路的輸出腳，通過與接口con3相連輸出放大后的信號，將輸出信號連接至信號濾波電路。

所述的信號濾波電路包括接口con4、低通濾波器芯片u8、電阻r7和r8以及電容c23～c27，接口con4的兩端分別與低通濾波器芯片u8的fout腳和模擬地(agnd)連接，低通濾波器芯片u8的clkr腳、vcc-腳、agnd腳和vcc+腳為電源引腳，其中ls腳和vcc腳接-5v電源并經過并聯的電容c24和c25接模擬地(agnd)，vcc+腳接+5v電源并經過并聯的電容c26和c27接模擬地(agnd)，agnd腳接模擬地(agnd)；通濾波器芯片u8的clkin腳通過電容c23接數字地(dgnd)，并通過電阻r8和電位器vr3和自身的clkr腳連接，模擬地(agnd)和數字地(dgnd)之間通過電阻r7相連接，低通濾波器芯片u8的fin腳接來自信號放大電路的輸出信號，經過低通濾波處理后在fout腳輸出濾波后的信號并通過接口con4輸出。

所述的電壓轉電流電路包括接口con5、壓流轉換芯片u9、三極管q1、場效應管q2、電阻r9～r18以及電容c28～c31，壓流轉換芯片u9的vsp腳和gnd腳為電源引腳，vsp腳接+24v電源并經過并聯的電容c30和c31接模擬地(agnd)，gnd腳接模擬地(agnd)；壓流轉換芯片u9的vin腳為信號輸入端，經過下拉電阻r18接模擬地(agnd)，同時與電阻r16和電阻r17的一端相連，電阻r16和電阻r17的另一端分別接來自信號濾波電路的輸出信號和壓流轉換芯片u9自身regf腳的參考電壓；壓流轉換芯片u9的set腳依次通過電阻r13和電阻r14接模擬地(agnd)，壓流轉換芯片u9的regs腳通過電阻r11接模擬地(agnd)，壓流轉換芯片u9的regf腳通過電阻r12和自身的regs腳相連，regf腳通過電容c29接模擬地(agnd)；壓流轉換芯片u9的od腳通過電阻r10接模擬地(agnd)，壓流轉換芯片u9的pad腳直接接模擬地(agnd)；壓流轉換芯片u9的is腳和vg腳分別接三極管q1的發射極和集電極，三極管q1的發射極通過電阻r9和基極相連，場效應管q2的源極和三極管q1的基極相連，場效應管q2柵極與三極管q1的集電極相連，場效應管q2的漏極接電阻r15后作為電流信號輸出端，并通過電容c28接模擬地(agnd)，電阻r15接接口con5并輸出電流信號。

所述的傳感器激勵電壓電路包括接口con6、穩壓芯片u10、電位器vr4和vr5、電阻r19以及電容c32～c35，穩壓芯片u10的gnd腳和兩個in腳是電源引腳，4腳接模擬地(agnd)，兩個in腳接+12v并經過并聯的電容c34和c35接模擬地(agnd)；穩壓芯片u10的兩個out腳相連后分別接電位器vr4和電位器vr5的公共端，單刀雙擲開關s1的兩個固定端接電位器vr4和電位器vr5的一端，單刀雙擲開關s1的活動端經過電阻r19接模擬地(agnd)；穩壓芯片u10的adj腳通過電阻r19接模擬地(agnd)，電位器vr4和vr5的公共端輸出傳感器激勵電壓并接接口con6，并經過并聯的電容c32和c33接模擬地(agnd)，接口con6的1腳接模擬地(agnd)。

優選的，所述的24v轉±15v電源轉換模塊u1采用型號為hdn3-24s05a1，所述的穩壓芯片u2采用型號為lm2940ct-12，所述的穩壓芯片u3采用型號為l7912cv，所述的穩壓芯片u4采用型號為adp3303，所述的穩壓芯片u5采用型號為l7905cv。

優選的，所述的運算放大器芯片u6采用型號為ina114，所述運算放大器芯片u7采用型號為op177。

優選的，所述的濾波器芯片u8采用型號為tlc14c。

優選的，所述的濾波器芯片u9采用型號為xtr111。

優選的，所述的濾波器芯片u10采用型號為lt1965。

本發明具有的有益效果是：

1.可將微弱的動態重量電壓信號經過放大、濾波后，轉換為抗干擾能力強，適合現場遠距離傳輸的電流信號；

2.低通濾波器截止頻率可調，可根據重量設備類型、傳送帶速度、稱重對象特性將濾波器調節至合適的截止頻率；

3.信號調理電路線性度好、長期工作漂移低；

4.經過電磁兼容和抗靜電設計，工作性能穩定。

附圖說明

圖1是本發明的總體結構框圖。

圖2是本發明電源管理電路的電路結構圖。

圖3是本發明信號放大電路的電路結構圖。

圖4是本發明信號濾波電路的電路結構圖。

圖5是本發明電壓轉電流電路的電路結構圖。

圖6是本發明傳感器激勵電壓電路的電路結構圖。

圖7是本發明線性度測試圖。

圖8是本發明長期工作穩定性測試圖。

圖中：電源管理電路1、信號放大電路2、信號濾波電路3、電壓轉電流電路4、傳感器激勵電壓電路5。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發明進行進一步的描述。

如圖1所示，本發明的模塊包括電源管理電路1、信號放大電路2、信號濾波電路3、電壓轉電流電路4和傳感器激勵電壓電路5；其中電源管理電路1分別與信號放大電路2、信號濾波電路3、電壓轉電流電路4和傳感器激勵電壓電路5相連接進行供電，信號放大電路2、信號濾波電路3、電壓轉電流電路4順次連接并作為傳感器動態重量信號的通路。

如圖2所示，電源管理電路1包括電源接口con1、電容c1～c14、電阻r1、二極管d1、發光二極管d2、24v轉±15v電源轉換模塊u1以及穩壓芯片u2～u5，電路經電源接口con1接+24v供電，二極管d1的陽極接+24v電源正極，二極管d1的陰極經鉭電容c1與模擬地相連，二極管d1的陰極與24v轉±15v電源轉換模塊u1的輸入端vin腳相連，二極管d1的陰極經電阻r1和發光二極管d2再接模擬地；24v轉±15v電源轉換模塊u1的電源輸出端-vo和+vo腳分別輸出-15v和+15v電源，并分別通過并聯的電容c3、c4以及電容c5、c6接模擬地；穩壓芯片u2的輸入端vin腳接+15v電源，輸出端vout腳輸出﹢12v電源，輸出端vout腳通過并聯的電容c7和c8接模擬地；穩壓芯片u2輸出的+12v電源接穩壓芯片u4的5、7、8腳，穩壓芯片u4的輸出端1腳和2腳相連接并輸出5v電源，并通過并聯的電容c11和c12接模擬地，同時穩壓芯片u4的1腳和2腳通過電容c2連接到3腳，穩壓芯片u4的4腳接模擬地；穩壓芯片u3的輸入端vin腳接-15v電源，穩壓芯片u3的輸出端vout腳輸出-12v電源并通過并聯的電容c9和c10接模擬地；穩壓芯片u5的輸入端vin腳接-12v電源，u5的輸出端vout腳輸出-5v電源并通過并聯的電容c13和c14接模擬地。

如圖3所示，信號放大電路2包括接口con2和接口con3、運算放大器芯片u6和u7、電位器vr1和vr2、電阻r2～r6和電容c15～c22，原始的動態重量信號由接口con2接入電路，接口con2的兩個腳分別與運算放大器芯片u6的輸入端5腳和4腳相連；運算放大器芯片u6的2腳依次經過電阻r2、電位器vr1和自身的15腳相連；運算放大器芯片u6的10腳接模擬地，運算放大器芯片u6的電源引腳13腳和7腳分別接+12v和-12v電源，并分別經過并聯的電容c15、c16以及電容c17、c18接模擬地。運算放大器芯片u6的11腳和12腳相連，并經過電阻r5與運算放大器芯片u7的反向輸入端2腳相連，運算放大器芯片u7的3腳經過電阻r6接模擬地，運算放大器芯片u7的7腳和4腳分別接+12v和-12v電源，并分別經過并聯電容c19、c20以及c21、c22接模擬地；電阻r3的一端和電位器vr2的公共腳相連，電位器vr2兩端分別連接模擬地和+5v電源，電阻r3的另一端和運算放大器芯片u7的2腳相連，運算放大器芯片u7的2腳通過電阻r4和自身的6腳相連，運算放大器芯片u7的6腳作為信號放大電路的輸出腳，通過與接口con3相連輸出放大后的信號，將輸出信號連接至信號濾波電路3。

如圖4所示，信號濾波電路3包括接口con4、低通濾波器芯片u8、電阻r7和r8以及電容c23～c27，接口con4的兩端分別與低通濾波器芯片u8的fout腳和模擬地連接，低通濾波器芯片u8的clkr腳、vcc-腳、agnd腳和vcc+腳為電源引腳，其中ls腳和vcc腳接-5v電源并經過并聯的電容c24和c25接模擬地，vcc+腳接+5v電源并經過并聯的電容c26和c27接模擬地，agnd腳接模擬地；通濾波器芯片u8的clkin腳通過電容c23接數字地dgnd，并通過電阻r8和電位器vr3和自身的clkr腳連接，模擬地和數字地dgnd之間通過電阻r7相連接，低通濾波器芯片u8的fin腳接來自信號放大電路2的輸出信號，經過低通濾波處理后在fout腳輸出濾波后的信號并通過接口con4輸出。

如圖5所示，電壓轉電流電路4包括接口con5、壓流轉換芯片u9、三極管q1、場效應管q2、電阻r9～r18以及電容c28～c31，壓流轉換芯片u9的vsp腳和gnd腳為電源引腳，vsp腳接+24v電源并經過并聯的電容c30和c31接模擬地，gnd腳接模擬地；壓流轉換芯片u9的vin腳為信號輸入端，經過下拉電阻r18接模擬地，同時與電阻r16和電阻r17的一端相連，電阻r16和電阻r17的另一端分別接來自信號濾波電路3的輸出信號和壓流轉換芯片u9自身regf腳的參考電壓；壓流轉換芯片u9的set腳依次通過電阻r13和電阻r14接模擬地，壓流轉換芯片u9的regs腳通過電阻r11接模擬地，壓流轉換芯片u9的regf腳通過電阻r12和自身的regs腳相連，regf腳通過電容c29接模擬地；壓流轉換芯片u9的od腳通過電阻r10接模擬地，壓流轉換芯片u9的pad腳直接接模擬地；壓流轉換芯片u9的is腳和vg腳分別接三極管q1的發射極和集電極，三極管q1的發射極通過電阻r9和基極相連，場效應管q2的源極和三極管q1的基極相連，場效應管q2柵極與三極管q1的集電極相連，場效應管q2的漏極接電阻r15后作為電流信號輸出端，并通過電容c28接模擬地，電阻r15接接口con5并輸出適合工業傳輸的4-20ma電流信號。

如圖6所示，傳感器激勵電壓電路5包括接口con6、穩壓芯片u10、電位器vr4和vr5、電阻r19以及電容c32～c35，穩壓芯片u10的gnd腳和兩個in腳是電源引腳，4腳接模擬地，兩個in腳接+12v并經過并聯的電容c34和c35接模擬地；穩壓芯片u10的兩個out腳相連后分別接電位器vr4和電位器vr5的公共端，單刀雙擲開關s1的兩個固定端接電位器vr4和電位器vr5的一端，單刀雙擲開關s1的活動端經過電阻r19接模擬地；穩壓芯片u10的adj腳通過電阻r19接模擬地，電位器vr4和vr5的公共端輸出傳感器激勵電壓并接接口con6，并經過并聯的電容c32和c33接模擬地，接口con6的1腳接模擬地。

本發明的工作過程如下：

在動態重量設備工作過程中，由于傳送帶運行過程中的機械振動，產品翻滾振動等干擾因素的影響，重量傳感器輸出的原始重量信號除了包含真實的產品重量外，還伴隨著各種干擾載荷信號。

重量傳感器的電源線和信號線接入模塊后，重量傳感器的激勵電壓由傳感器激勵電壓電路5提供，用戶可根據傳感器的類型以及重量對象的重量，通過開關s1選擇傳感器激勵電壓(5v或10v輸出)。

動態重量設備開始工作后，來自重量傳感器的原始重量信號先經過模塊信號放大電路2將mv級別的信號放大至v級，用戶可以通過電位器vr1實現對放大信號的增益調節(增益范圍為25～1000)，使信號放大到適合的電壓幅值；通過電位器vr2實現對信號的零點電位調節。

信號放大電路在將真實產品重量信號放大的同時，干擾信號也被放大；放大后的信號經過信號濾波電路3將干擾信號濾除，用戶可以根據重量信號特性，通過調節電位器vr3設定低通濾波器截止頻率(截止頻率范圍為3～300hz)，最大限度地消除擾動信號并保留重量信號；消除干擾后的電壓信號到達電壓轉電流電路(4，將電壓信號轉換為適合工業現場傳輸的4-20ma電流信號，以增強在傳輸過程中的抗干擾能力。

重量電流信號可通過雙絞線等介質遠距離傳輸至單片機、plc等工業控制器進行計算處理，得到產品重量。

具體實施中，24v轉±15v電源轉換模塊u1采用型號為hdn3-24s05a1，穩壓芯片u2采用型號為lm2940ct-12，穩壓芯片u3采用型號為l7912cv，穩壓芯片u4采用型號為adp3303，穩壓芯片u5采用型號為l7905cv；運算放大器芯片u6采用型號為ina114，運算放大器芯片u7采用型號為op177；濾波器芯片u8采用型號為tlc14c，濾波器芯片u9采用型號為xtr111，濾波器芯片u10采用型號為lt1965。

信號濾波電路3中的低通濾波器芯片u8截止頻率在3～300hz范圍內可調，具體實施能夠根據重量設備類型、傳送帶速度、重量對象特性將濾波器調節至合適的截止頻率。

結合圖7，圖7是以上實施例的線性度測試結果。在傳送帶運行狀態下，將放大倍數調節至2000倍，將濾波器的截止頻率調節至50hz，分別用質量為10克、20克、30克、50克和100克的標準砝碼作為稱重載荷，記錄輸出電流。對得到的散點進行線性擬合，擬合優度達到0.9999。實驗結果表明，在動態情況下本發明具有良好的線性度。

結合圖8，圖8以上實施例的長期穩定性和溫度漂移測試結果。在傳送帶運行狀態下，將放大倍數調節至2000倍，將濾波器的截止頻率調節至50hz，將模塊輸出的電流信號接入控制器，得到動態稱重結果。采用一枚重量為51.5克的雞蛋作為實驗稱重載荷，每隔6小時進行50次稱重實驗，記錄稱重結果并計算平均值。連續進行84小時時長測試，稱重結果在實際重量上下波動，偏差范圍小于±0.5克。實驗結果表明，本發明長期工作穩定性良好，稱重結果受溫度影響小。

由此可見，本發明的低通濾波器截止頻率在3～300hz范圍內可調，能滿足動態重量設備重量信號響應快，工況差異大的需求，能將微弱的原始動態重量信號放大，通過低通濾波電路濾除擾動載荷信號，并將電壓信號轉換為適合工業現場傳輸的4-20ma電流信號，提高動態重量設備的計量精度。

上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。