CN104501925A - 药品灌装线动态称重***模拟低通滤波电路 - Google Patents

Abstract

本发明是基于药品灌装线实时称重***的底层硬件电路模拟低通滤波电路。***前端采集通道模拟信号电路采用两级放大架构，MAX293滤波器置于两次放大之间，用于提取药品的称重信号，经过第二次放大后模拟信号就被转换成标准5V模拟信号，最后信号输入16位A/D转换器转。MAX293不仅是模拟电路的核心也是整个底层模块的核心，它的核心任务是滤除药品灌装线的强迫振动干扰。MAX293可选用两种方式提供滤波时钟频率，一种是直接在CLK引脚上接电容，与内部的电阻形成RC振荡电路，向MAX293输入三角波；另一种是由外部逻辑器件提供方波信号。本模拟电路采用单片机提供方波信号的方式提供滤波始终信号。模拟电路的二级放大器选用MAX4486，其内部有运放A和运放B两个运算放大器，运放A组成的放大器作为模拟电路的二级放大器。

Description

药品灌装线动态称重***模拟低通滤波电路

技术领域

本发明涉及一种模拟低通滤波电路，具体涉及一种适用于药品灌装线实时称重***的底层硬件模拟低通滤波电路。

背景技术

药品计量包装是药品生产的重要环节。药品称量包装的准确与否不单影响到企业的信誉和经济效益，更关系到服用者的生命安全。制药行业一般采用事后人工抽检的方式实现对灌装量的控制，这既不能保证每瓶药剂计量的准确性，也有碍于药企的生产效率。目前，药品主要可分为颗粒状、液态和粉末状３种形态，其中粉末状药品由于其极小的形态极易在灌线上受到外部的扰动而造成灌装量的偏差。但是，国内在粉末状药品灌装线动态称重***的研究还处于起步阶段，没有一套可实用的***。该项技术的研发有助于在源头掌控粉末状药品的质量，对提高药企的生产效率和保证患者的健康都具有重要意义。药品灌装线动态称重***包含１台作为人机界面及数据处理的上位机和底层硬件***，底层硬件***由１套主机板和８套前端模块组成。着重介绍底层硬件***，用于采集称重传感器感应到的电压信号，并将其转换为数字信号传给上位机做进一步数字滤波处理。由于称重传感器感受到的电压信号只有几毫伏，极易受到外部环境的干扰，底层硬件***中的前端模块就需对传感器的原始信号进行模拟信号滤波处理，以期达到滤除夹杂在信号中的高频干扰、共模干扰和灌装线的振动干扰等噪声，提取出较为洁净的传感器信号。

发明内容

本设计主要实现药品灌装在线称重***的底层硬件模拟低通滤波电路设计。为了实现滤波目的，前端采集通道模拟信号电路采用两级放大架构，MAX293滤波器置于两次放大之间，用于提取药品的称重信号，经过第二次放大后模拟信号就被转换成标准5V模拟信号，最后信号输入16位A/D转换器转。二级放大还可以避免将无用的噪音放大到5V而做无用功，一级放大器将称重信号放大到MAX293的触发电压，二级放大用以提高信号增益和滤除MAX293振荡波，并且增加模拟信号带负载的能力。采用该种设计方案来处理称重信号的优点：电路功耗小，灵敏度高，结构简单。

MAX293不仅是模拟电路的核心也是整个底层模块的核心，它的核心任务是滤除药品灌装线的强迫振动干扰。MAX293为八阶椭圆形切比雪夫滤波器，具有陡峭的上升沿，使其幅频特性曲线更加接近于矩形，极其适合于快速称重；但是通带内有较强的波动量，且上升沿时间越短，波动量越大，即阶跃响应的过冲越大，不利于减少稳定时间。

MAX293可选用两种方式提供滤波时钟频率，一种是直接在CLK引脚上接电容，与内部的电阻形成RC振荡电路，向MAX293输入三角波；另一种是由外部逻辑器件提供方波信号。本模拟电路采用单片机提供方波信号的方式提供滤波始终信号。

模拟电路的二级放大器选用MAX4486，其内部有运放A和运放B两个运算放大器，运放A组成的放大器作为模拟电路的二级放大器。模拟电路的二级放大器不单要将信号做二次放大处理，滤除MAX293阶跃响应通带的振动量，而且不能放大加载在模拟放大器上的偏置电压。

附图说明

图1为前端采集通道数字电路架构；

图2为前端采集通道模拟电路架构；

图3为模拟放大器INA128模拟电路图；

图4为RS-485接口电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为前端采集通道数字电路架构，前端采集通道的数字电路包括485通信电路和微处理器两部分。前端采集子模块的485通信电路与通讯子模块类似，需要与高速光耦连接6N137连接后再与单片机相连。但是前端采集子模块的微处理被赋予更多的使命，器除了通信控制外，还要对采集的数据均值滤波、设定MAX293的滤波截止频率和控制AD转化器的开关。八路前端采集通道都设计有未处理芯片，一方面是为了提供通道的工作效率，另一方面可以有效阻隔串扰。当两路以上前端采集通道同时工作时，单片机将同时向MAX293输入高频滤波截止频率，假如通道与通道间在电源线路上存在耦合线路，将会发生信号的混淆，对模拟信号电路的输出产生极大的影响，采集到的模拟信号呈现频率固定的振荡波形。因此，每一路通道都设计有单片机和隔离电源模块，实现通道的独立工作，从物理线路上切断耦合途径。模拟信号电路采集药品质量信号的同时还采集到其他高频杂散信号，MAX293的作用是滤除灌装线的低频强迫振动干扰，为了滤除高频杂散干扰本***采用1024组数据均值滤波处理的方式，根据实验数据该方案有效实现了滤除杂散信号干扰的效果。

图2为前端采集通道模拟电路架构，前端采集通道模拟信号电路采用两级放大架构。由于MAX293的输出存在严重的超调和振荡，如果采用一次放大的方法，将造成MAX293输出的振荡周期变长和振幅变大，延长信号采集子模块的建立时间和影响***的稳定性，所以减少***达到稳定的时间，前端采集模块采用两级放大架构。

MAX293滤波器置于两次放大之间，用于提取药品的称重信号，经过第二次放大后模拟信号就被转换成标准5V模拟信号，最后信号输入16位A/D转换器转。二级放大还可以避免将无用的噪音放大到5V而做无用功，一级放大器将称重信号放大到MAX293的触发电压，二级放大用以提高信号增益和滤除MAX293振荡波，并且增加模拟信号带负载的能力。

图3为模拟放大器INA128模拟电路图，前端模块的模拟电路输出电压只有几毫伏，因此模拟电路的总放大倍数设定为990倍，其中第一级放大器INA128的放大倍数为330倍。图中C7、C8、C9、R3和R4组成射频干扰滤波器，不但可以有效滤除外部射频干扰，而且因为R3和R4的存在阻隔了放大器和称重传感器，增加了放大器的过载保护能力。INA128拥有不低于120dB的共模抑制比，为了不影响放大器的共模一直能力，C8/R3和C9/R4在数值、规格、位置和布线上都严格对称。电容C7跨接在放大器的正负输入端，与C8和C9电容并联相接，C7可以有效的减小C8和C9造成的不匹配误差，一般C7的电容值是C8或C9的十倍，那么就能够将C8和C9的不匹配误差减小二十倍。

C8/R3、C9/R4和C7组成的滤波网络用于滤除放大器输入端的差模射频干扰，即放大器正负输入端之间的干扰。

C8/R3或C9/R4组成的滤波电路用于滤除放大器输入端的共模射频干扰，即放大器正输入端或负输入端相对于地的干扰。

称重传感器的输出电阻为350Ω左右，根据阻抗匹配原则，R3和R4的阻值设定为1KΩ，选取C8和C9的容值为1000pF，C7的容值为0.01μF，由公式可得模拟电路前端滤波网络的差模滤波截止频率为7571.4Hz,共模滤波截止频率为159KHz。

称重传感器单位阶跃响应的过度时间为10ms，建立时间超过100ms。INA128的压摆率为4V/μs,增益为1000倍时的建立时间为80μs，所以INA128可以在响应速率上完全满足***要求。

INA128的最大零点漂移为±125μV，即当正负输入端都接地时，输出端的电压为±125μV。如果称重传感器输入过小，而零点漂移又为负值时，可能使模拟电路的输出为负值。因此需要在INA128的参考端(REF)输入偏置电压，补偿INA128可能为负值的零点漂移电压，本***中的偏置电压电路由MAX4486的B运放组成的电压跟随器提供，电压为1V。

如图4所示为RS-485接口电路图，MAX293的输出信号输入由R8、R9、R10和运放A组成的同向放大电路，放大倍数为三倍。运放A的负输入端接INA128的偏置电压，即可避免将偏置电压也放大三倍。电容C37跨接在运放A的负输入和输出之间，可视为和R9、R10、运放A组成一阶低通有源滤波器，其滤波截止频率公式：。

Claims (7)

1.本发明涉及一种模拟低通滤波电路，具体涉及一种适合于药品灌装线实时称重***的底层硬件模拟低通滤波电路。

2.前端采集通道模拟信号电路采用两级放大架构。

3.如权利要求1所述的模拟低通滤波电路，其特征在于：MAX293滤波器置于两次放大之间。

4.如权利要求1或权利要求3所述的模拟低通滤波电路，其特征在于：一级放大器将称重信号放大到MAX293的触发电压，二级放大用以提高信号增益和滤除MAX293振荡波，并且增加模拟信号带负载的能力。

5.如权利要求1所述的模拟低通滤波电路，其特征在于：采用单片机提供方波信号的方式提供滤波时钟信号。

6.如权利要求1所述的模拟低通滤波电路，其特征在于：设计光电耦合器用于抬高单片机的时钟信号电压。

7.如权利要求1所述的模拟低通滤波电路，其特征在于：采用二级放大器MAX4486，内部运放A组成的放大器作为模拟电路的二级放大器。