扔掉那些比特!

關(guān)鍵詞：模擬電路設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換器、ADC、運(yùn)算放大器、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程教育、物理驗(yàn)證與分析、信號(hào)完整性、設(shè)計(jì)方法

高質(zhì)量的測(cè)壓元件 (load cell) 可能會(huì)具有 2-mV/V 輸出傳輸功能，其意味著您獲得的每一伏特激勵(lì)電壓都要 ±2 mV 滿量程輸出信號(hào)。4.096V 激勵(lì)電壓和全傳感器撓度條件下，最大輸出為 ±8.192 mV。在 12 位應(yīng)用中，滿量程的一半或許代表體重秤的 0 到 250 磅。如果您想要 0.25 磅精度，則您需要 1000 個(gè)輸出測(cè)量點(diǎn)。要對(duì) 1/1000 滿量程的東西進(jìn)行研究，您必須能夠辨別出 8.192 μV 的傳感器輸出變化。通過(guò)使用 4.4 的峰值因數(shù)（請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn) 1），在 99.999% 時(shí)間中將峰至峰傳感器噪聲維持在 8.192 μV 以下，您便可以獲得這種精度。在這種精度條件下，傳感器的最低有效位為 8.192 μV，即 931 nV (rms)。

圖 1 中測(cè)壓元件橋接具有 4.096V 的激勵(lì)電壓。INA326 儀表放大器緊隨測(cè)壓元件，具有 250V/V 的增益。系統(tǒng)的滿量程電壓 250×±8.192 mV 產(chǎn)生了一個(gè) ±2.048V 的滿量程信號(hào)。12 位 ADS7822將模擬信號(hào)數(shù)字化。

該 12 位轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)必須具有一個(gè)模擬濾波器。低通模擬濾波器 (OPA333) 的主要功能是去除 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入端上的高頻信號(hào)分量（請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn) 2）。由于電路中的測(cè)壓元件以近乎直流電工作，您要將帶寬限定在 10 Hz。

現(xiàn)在，讓我們來(lái)看一個(gè) 24 位系統(tǒng)的測(cè)壓元件測(cè)量方法。在圖 2 中，我們可以簡(jiǎn)單地將測(cè)壓元件信號(hào)通過(guò)一個(gè)一階低通濾波器，然后進(jìn)入 △-∑ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該電路中的一階濾波器消除了轉(zhuǎn)換器采樣頻率周圍的高頻噪聲（請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn)3）。這種傳感器為濾波器 R|C 對(duì)提供了電阻。

觀察圖 2 所示 24 位 △-∑ 系統(tǒng)的誤差，請(qǐng)注意，ADS1232 產(chǎn)生了 3.7 μV p-p 的噪聲，其峰值因數(shù)為 4.4。這一數(shù)值大大低于傳感器的最低有效位。另外，△-∑ 轉(zhuǎn)換器的滿量程范圍為 4.096V，但是傳感器的滿量程輸出范圍卻為 ±8.192 mV。正如您猜到的一樣，您會(huì)“扔掉”△-∑ 轉(zhuǎn)換器的大多數(shù)輸出比特。

您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，相比 24 位系統(tǒng)，12 位轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)最終會(huì)花費(fèi)您更多的金錢、占用更多的電路板面積并耗費(fèi)您更多的精力。

圖 1 精度達(dá)到 0.25 磅的 12 位測(cè)壓元件系統(tǒng)

圖 2 高于 0.25 磅精度的 24 位測(cè)壓元件系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)

1、《RMS 和峰至峰噪聲平衡》，作者：Baker, Bonnie，EDN 雜志，2008 年 5月 15 日。
2、《您 SAR-ADC 應(yīng)用中的奧秘》，作者：Baker, Bonnie，EDN 雜志，2008 年 12 月 15 日。
3、《模擬濾波器讓 △-∑ 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)更輕松》，作者：Baker, Bonnie，EDN 雜志，2008 年 6 月 12 日。

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