Как подключить тензодатчик и мост Уитстона к АЦП

Определите тип моста и величину сигнала

В полном мосте четыре чувствительных плеча изменяются согласованно, поэтому он даёт высокий сигнал и хорошую температурную компенсацию. Полумост и четверть-мост требуют дополнительных точных резисторов или completion network; их сопротивление, TCR и самонагрев входят в ошибку. Нельзя считать одну схему прямой заменой другой только по сопротивлению 350 Ом.

Из паспорта нужны номинальная чувствительность в мВ/В, сопротивление входа и выхода, рекомендуемое и максимальное возбуждение, zero balance, creep, hysteresis, temperature effect и допустимая перегрузка. Также фиксируют знак сигнала при приложении нагрузки — перепутанные SIG+ и SIG− дадут отрицательный код, но это не всегда безопасно исправлять программно без проверки всей разводки.

Рассчитайте полный дифференциальный диапазон

Для датчика 2 мВ/В при возбуждении 5 В имеем V_FS = 2 мВ/В × 5 В = 10 мВ. Если мост двунаправленный, диапазон может быть ±10 мВ; для весовой платформы обычно интересует участок от нулевого разбаланса до +10 мВ. К этому добавляют возможный zero balance, например ±1 % номинального выхода, и запас на перегрузку.

Не проектируйте тракт ровно на 10,000 мВ. При механическом преднатяге, допуске чувствительности и ударной нагрузке вход может выйти за диапазон PGA. Полезно оставить 20–30 % электрического запаса и проверить восстановление после перегрузки.

Почему ratiometric-схема уменьшает ошибку питания

Выход моста пропорционален напряжению возбуждения. Если АЦП использует независимую опору, изменение возбуждения напрямую меняет результат. В ratiometric-схеме фактическое напряжение на мосте одновременно подаётся на REF+ и REF− АЦП. Тогда одинаковое изменение множит и измеряемый сигнал, и полный масштаб, а их отношение в первом приближении остаётся постоянным.

Это не отменяет требования к шуму: высокочастотная помеха может пройти через сигнальный и reference-тракт по-разному. Важно обеспечить согласованные полосы и не перегружать входы REF. Если применяется буфер возбуждения, remote sense должен измерять напряжение именно на мосте, а не до падения в кабеле.

Четырёх- и шестипроводное подключение

Четыре провода — EXC+, EXC−, SIG+ и SIG−. Падение напряжения на проводах возбуждения уменьшает реальное питание моста, а контроллер видит только напряжение на своей плате. При коротком стабильном кабеле ошибка может быть приемлемой, но при длинной линии и меняющейся температуре сопротивление проводников меняется.

В шестипроводной схеме добавлены SENSE+ и SENSE−, подключённые у моста. Эти линии почти не несут ток и позволяют использовать фактическое напряжение на датчике как reference либо вход обратной связи. Компенсируется падение на силовых проводах возбуждения, но не плохой контакт сигнальной пары и не механическая ошибка платформы.

Выберите возбуждение без лишнего самонагрева

Повышение возбуждения увеличивает полезный сигнал, но также рассеиваемую мощность. Для моста с входным сопротивлением 350 Ом при 5 В P ≈ V²/R = 25/350 = 71 мВт. При 10 В получится около 286 мВт — в четыре раза больше. Самонагрев изменяет температуру тензорезисторов и может вызвать дрейф нуля.

Следуйте рекомендуемому диапазону производителя датчика. Источник возбуждения должен выдерживать ток, иметь низкий шум в полезной полосе и корректно запускаться. В многоканальной системе одновременно подключённые мосты могут заметно нагружать reference или LDO.

PGA и диапазон входа АЦП

Низкочастотные ΔΣ-АЦП для мостов часто имеют встроенный PGA. Проверяют не просто максимальное усиление, а полный дифференциальный диапазон при выбранных V_REF и gain, допустимое синфазное напряжение и noise-free counts на нужной скорости. Увеличение gain полезно, пока вход не насыщается от сигнала плюс offset.

Если выбранный диапазон АЦП составляет условные ±19,5 мВ, сигнал ±10 мВ использует около половины шкалы и оставляет запас. Конкретное отношение V_REF, PGA и full scale берут только из datasheet выбранного АЦП: у разных архитектур коэффициент 1, 1/2 или иная величина.

Оцените реальное разрешение, а не число бит

Идеальный 24-разрядный код при опоре 5 В имеет очень малый LSB, но шум преобразователя, моста и платы занимает множество кодов. Производители часто приводят RMS noise и noise-free resolution для конкретных gain, data rate и фильтра. Именно эту строку нужно сопоставлять с минимальным изменением массы.

Если весы на 100 кг должны уверенно различать 10 г, требуется минимум 10 000 стабильных делений плюс запас на тару и калибровку. Это около 13,3 бит noise-free, а не 24. Затем проверяют, выдерживает ли механика повторяемость 10 г и не превышают ли creep и temperature error этот шаг.

Фильтрация 50/60 Гц и скорость отклика

Сетевую наводку уменьшают симметричным входным RC-фильтром, экранированием и цифровым фильтром ΔΣ-АЦП. Некоторые режимы одновременно подавляют 50 и 60 Гц только при определённой output data rate. Высокая скорость выдачи данных может убрать глубокие нули фильтра и увеличить шум.

Выбирайте data rate из динамики процесса. Для статических весов допустима длительная стабилизация, а дозатор должен видеть изменение быстро. Цифровое усреднение снижает случайный шум, но не исправляет drift, creep или насыщение аналогового входа.

Кабель, экран и заземление

Сигнальные и sense-линии прокладывают в витых парах. Экран обычно подключают к корпусу в точке ввода с учётом общей системы уравнивания потенциалов. Универсального правила «заземлить только с одной стороны» нет: на высоких частотах длинный незаземлённый хвост теряет эффективность, а при разности потенциалов возможен ток по экрану.

Не используйте экран как сигнальный возврат. Защитные TVS и фильтры размещают у разъёма, но их leakage должен быть мал по сравнению с микровольтовым сигналом. После добавления защиты повторно измеряют offset и восстановление после импульса.

Практический расчёт канала весов

Пусть платформа 100 кг использует датчик 2 мВ/В, возбуждение 5 В и должна иметь отображаемый шаг 10 г. Полный сигнал — 10 мВ. Один отображаемый шаг соответствует 10 мВ / 10 000 = 1 мкВ на входе. Чтобы показание не дрожало, RMS-шум желательно сделать заметно меньше, например 0,2–0,3 мкВ после фильтрации; точное правило зависит от принятого алгоритма стабильности.

Выбираем ratiometric-подключение и шестипроводный кабель. Если АЦП при нужных gain и 10 SPS имеет input-referred RMS noise 0,15 мкВ по гарантированной или типовой таблице, аналоговая часть потенциально подходит, но это ещё не обещание 10 г. Нужно добавить шум моста, внешних резисторов, EMI и механику. Калибровка выполняется как минимум по нулю и известной нагрузке, например 80 кг: mass = (code − code_zero) × 80 кг / (code_80 − code_zero).

Калибровочный груз должен иметь прослеживаемую точность лучше целевой системы. После калибровки проверяют промежуточные точки, нагружение и разгружение, повторяемость, углы платформы, ползучесть во времени и несколько температур.

Калибровка и диагностика обрыва

Тара удаляет текущий нулевой offset, но не заменяет калибровку коэффициента. Двухточечная модель подходит при достаточной линейности; для высоких требований применяют несколько точек и температурную коррекцию. Коэффициенты хранят с версией, датой и контрольной суммой.

Обрыв SIG, SENSE или EXC может дать правдоподобный код. Диагностика включает пределы common-mode, ток возбуждения, reference voltage и выход за допустимую скорость изменения. При неисправности система должна сообщать ошибку, а не показывать случайный вес.

Примеры из каталога ChipBaza

ADS1232IPWR иллюстрирует 24-разрядный ΔΣ-АЦП, ориентированный на мостовые измерения, а INA333AIDGKR — отдельный инструментальный усилитель для слабого дифференциального сигнала. Это альтернативные строительные блоки, а не готовые взаимозаменяемые решения.

Перед применением сверяют full-scale equation, доступные gain/data rate, reference inputs, input common-mode, noise tables, питание и корпус точного MPN. Краткое описание карточки не заменяет эти проверки.

Типовые ошибки

Чек-лист перед калибровкой