高性能低成本電子秤的參考設(shè)計

引言

電子秤向提高精度和降低成本方向發(fā)展的趨勢引起了對低成本、高性能模擬信號處理器件需求的增加。大多數(shù)電子秤是以1:3,000或1:10,000的分辨率輸出最終的稱重值，使用12 bit~14 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器很容易慢足要求。然而，高精密檢測的電子秤表明要達(dá)到這種分辨率，adc的精度需要接近于20 bit。本文將討論一些電子秤系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)以及設(shè)計和構(gòu)建一個電子秤系統(tǒng)所需考慮的問題。設(shè)計中主要考慮峰峰值（pp）噪聲分辨率、adc的動態(tài)范圍、增益漂移和濾波。我們使用作為評估板的電子秤參考設(shè)計，將來自實際稱重傳感器（又稱作負(fù)荷傳感器）的測量結(jié)果與來自穩(wěn)定參考電壓源的輸入進(jìn)行對比。

稱重傳感器

最普遍的電子秤應(yīng)用橋式稱重傳感器實現(xiàn)，稱重傳感器的輸出電壓直接與放在其上的重量成比例。圖1示出了典型的稱重電橋－一個具有至少兩個可變橋臂的4電阻結(jié)構(gòu)的電橋，所稱重量引起的電阻變化可產(chǎn)生一個疊加在2.5 v（電源電壓的一半）共模電壓之上的差分電壓。典型的電橋通常使用300 的電阻器。

靈敏度

稱重傳感器的電靈敏度為滿負(fù)荷輸出電壓與激勵電壓的比值，典型值是2mv/v。當(dāng)使用2 mv/v靈敏度和5 v激勵電壓的傳感器時，其滿度輸出電壓為10 mv。通常，為了使用稱重傳感器線性度最好的一段稱重范圍，應(yīng)當(dāng)僅使用滿度范圍的三分之二。因此滿度輸出電壓應(yīng)當(dāng)大約為6 mv。當(dāng)電子秤應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境時，在6 mv滿度范圍內(nèi)測量微小的信號變化并非易事。

總誤差

總誤差是指輸出誤差和額定誤差的比值。典型電子秤的總誤差指標(biāo)大約是0.02%，這一技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)重要，它限制了使用理想信號調(diào)節(jié)電路所能達(dá)到的精確度，決定了adc分辨率的選擇以及放大電路和濾波器的設(shè)計。

漂移

稱重傳感器也產(chǎn)生與時間相關(guān)的漂移。圖2示出24小時范圍內(nèi)測量的實際稱重傳感器漂移特性。測量結(jié)果表明（使用24 bit adc測量的bit變化數(shù)量）具有125 lsb或大約7.5 ppm的總體漂移。

一個電子秤系統(tǒng)最重要的參數(shù)是內(nèi)部分辨率、adc動態(tài)范圍、無噪聲分辨率、更新速率、系統(tǒng)增益和增益誤差漂移。該系統(tǒng)必須設(shè)計成比率工作方式，所以它與電源電壓波動無關(guān)。

內(nèi)部分辨率

用戶所見的典型電子秤系統(tǒng)（圖3）的分辨率范圍最低為1：3,000，最高達(dá)1:10,000。lcd顯示器上能看到的這種分辨率通常稱作外部分辨率。電子秤系統(tǒng)的內(nèi)部分辨率必須至少應(yīng)高于外部分辨率一個數(shù)量級。實際上，某些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定系統(tǒng)的內(nèi)部分辨率應(yīng)該優(yōu)于外部分辨率的許多倍。

在使用標(biāo)準(zhǔn)高分辨率adc的電子秤應(yīng)用中，不太可能用adc的整個滿度范圍。在圖1所示的例子中，稱重傳感器的電源電壓是5v，滿度輸出是10 mv，其線性范圍是6 mv。當(dāng)模擬前端使用增益為128的電路時，adc輸入的滿度將是768 mv。如果使用標(biāo)準(zhǔn)的2.5 v參考電壓，則僅用了adc動態(tài)范圍的30%。

表 i和表ii顯示 ad7799 adc的等效輸入噪聲和分辨率。

如果電子秤的內(nèi)部分辨率需要1:200,000的精度以達(dá)到770 mv的滿度范圍，adc需要3倍~4倍的分辨率。如果內(nèi)部分辨率是1:800,000，那么adc要求達(dá)19 bit~20 bit的精度。

工業(yè)電子秤系統(tǒng)通常工作在50 c的條件下。設(shè)計工程師們必須考慮在超過室溫的條件下系統(tǒng)的精度。因為隨溫度變化的增益漂移可能是誤差的主要來源。因此，設(shè)計電子秤時選擇一款具有低增益漂移的adc非常重要。

但失調(diào)漂移并不是主要的考慮因素。大多數(shù)∑-△adc都具有內(nèi)部斬波模式，使得∑-△adc 具有較低的失調(diào)漂移和較好的抗1/f噪聲干擾能力，這對于設(shè)計師很重要。

無噪聲分辨率

當(dāng)人們閱讀產(chǎn)品技術(shù)資料時，一個普遍性的錯誤是沒有注意到將噪聲定義為有效值（rms）噪聲還是峰峰值(p-p）噪聲。在電子秤應(yīng)用中，最重要的技術(shù)指標(biāo)是p-p噪聲，它決定了無噪聲編碼分辨率。 adc的無噪聲編碼分辨率是指超過這個位（bit）數(shù)它就不能清楚分辨?zhèn)€別編碼的分辨率，由于存在有效輸入噪聲，所有adc都有這種噪聲。這種噪聲可以用rms值表示，通常是以lsb為單位的一個數(shù)值。將rms噪聲乘以6.6(包含了分布中99.9%的值)便可轉(zhuǎn)換成等效的峰峰值噪聲。

更新速率

系統(tǒng)的無噪聲分辨率取決于adc的更新速率。在電子秤系統(tǒng)中，設(shè)計工程師需要權(quán)衡使用最低的更新速率，在最低更新速率時adc能夠以刷新lcd顯示器所需的輸出數(shù)據(jù)速率進(jìn)行采樣。對于高端電子秤系統(tǒng)，一般使用10 hz的adc更新速率。

電子秤參考設(shè)計 選擇最佳的adc

電子秤設(shè)計最佳的adc體系結(jié)構(gòu)是∑-△adc，這種體系結(jié)構(gòu)在低更新速率時具有低噪聲和高線性度，其噪聲整形和數(shù)字濾波功能集成在片內(nèi)。首先集成高頻率調(diào)制器整形量化噪聲以便把噪聲移到調(diào)制器頻率的一半處，數(shù)字濾波器只通過低頻信號。

adc還應(yīng)包含一個低噪聲可編程增益放大器（pga），它具有很高的內(nèi)部增益以放大來自稱重傳感器的微小輸出信號。與需要外部增益電阻器的分立放大器相比，集成的pga經(jīng)過優(yōu)化能保證很低的溫度漂移。在由分立元件構(gòu)成的配置中，任何由溫度漂移引起的誤差都會通過增益級電路被放大。適用于電子秤應(yīng)用的ad7799具有優(yōu)良的低噪聲指標(biāo)（27 nv/√hz）和最大增益為128 mv/mv的前端增益級，稱重傳感器可以與這類adc直接相連。

adi公司設(shè)計的電子秤系統(tǒng)評估板的參考設(shè)計包含一塊ad7799芯片，由aduc847微控制器控制。aduc847除了為ad7799提供數(shù)字接口和實現(xiàn)數(shù)據(jù)后處理外，自身也包含一個24 bit的高性能∑-△adc。這允許用戶對包含ad7799 adc的系統(tǒng)和使用aduc847的完整系統(tǒng)自身包含的adc之間的測試結(jié)果進(jìn)行比較。

提高adc輸出精確度

低帶寬高分辨率的ad7799具有24 bit分辨率。然而，正如上面所述，其有效bit數(shù)被噪聲所限制，取決于所使用的輸出字速率和增益設(shè)置。為了增加有效分辨率并且盡可能去除噪聲，aduc847微控制器可編程采用一種均值算法以得到更好的性能。理想情況下，對于這種恒定的直流（dc）模擬輸入信號其輸出碼應(yīng)該是常數(shù)。但是由于噪聲的存在，將在模擬輸入常數(shù)值附近出現(xiàn)編碼擴展。這種噪聲包括adc內(nèi)的熱噪聲和模數(shù)轉(zhuǎn)換過程本身產(chǎn)生的量化噪聲。一般情況下編碼擴展服從高斯分布。
均值濾波器是一種減少隨機白噪聲同時可保持最敏捷階躍響應(yīng)的好方法。這里所討論的設(shè)計軟件使用均值移動算法。

均值移動濾波器將來自輸入信號許多點的值進(jìn)行平均以產(chǎn)生每個點的輸出信號。濾波器輸入直接取自adc。在對最多m個數(shù)據(jù)取平均的操作中，其中最小數(shù)據(jù)和最大數(shù)據(jù)（外部數(shù)據(jù)）都從數(shù)據(jù)窗口中被刪除。對剩下的m-2個數(shù)據(jù)用下面的公式求平均值：

減小稱重變化的響應(yīng)時間

基本的算法可以提高電子秤的噪聲性能，但是當(dāng)其稱重發(fā)生變化時會出現(xiàn)問題。當(dāng)稱重變化后，稱重傳感器的輸出應(yīng)在非常短的時間內(nèi)達(dá)到另一個平衡狀態(tài)。根據(jù)這種算法，濾波器的輸出僅在濾波器更新m次后才能得到最準(zhǔn)確的結(jié)果。響應(yīng)時間受到均值點的數(shù)量限制。因此需要一種專門算法來判斷稱重的變化。圖4示這出種專門算法的基本流程圖。

對于1:50,00和1:10,000的標(biāo)準(zhǔn)范圍，調(diào)整電子秤可顯示0.5 g或1 g的最小刻度。當(dāng)稱重是在兩個相鄰的顯示稱重值之間時，顯示值將在這兩個稱重值之間發(fā)生閃爍。為了保持穩(wěn)定的顯示值，可使用一種特殊的算法。

在每個顯示周期內(nèi)，軟件決定本周期內(nèi)顯示的稱重值是否與前一個周期內(nèi)的值相等。如果相等，lcd輸出將不變，并且處理過程繼續(xù)進(jìn)入下一個周期。如果不等，將計算這兩個周期的內(nèi)部編碼之間的差值。如果差值小于閾值，則認(rèn)為此變化是由噪聲引起的，所以依然顯示舊的稱重值。如果差值大于閾值，則更新顯示值。

aduc847和ad7799的性能比較

對于低成本的電子秤設(shè)計，帶有片內(nèi)adc的aduc847可以提供一種單芯片解決方案。aduc847集成了一個24 bit的∑-△adc和8052微控制器內(nèi)核。其內(nèi)部的adc含有增益為128差分模擬輸入和參考電壓源輸入的可編程增益放大器（pga）。aduc847還包含62 k字節(jié)（byte）的片內(nèi)程序閃存和4 k字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)閃存。在測試條件相同的情況下，對aduc847片內(nèi)集成的adc與具有較低噪聲單獨的ad7799進(jìn)行了比較，模擬輸入端直接連到2.5v的參考電壓源上并且使用的增益為64。正如我們所預(yù)期的一樣，ad7799具有較低的噪聲，因此它適用于高端應(yīng)用，相反aduc847適合于要求不太嚴(yán)格的電子秤。

電子秤的設(shè)計考慮

比率式測量方式

如圖3所示，在電子秤的參考設(shè)計中為了達(dá)到最佳性能采用了比率式測量方法（電橋的dc激勵源和adc的參考電壓源使用同一個參考源）。稱重傳感器的輸出精度由電橋的激勵電壓決定。由于電橋的輸出直接與激勵電壓成比例，所以激勵電壓的任何漂移都會產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓漂移。由于比率式測量方法的輸出電壓既與電橋的激勵電壓成比例又與adc的參考電壓源成比例，這樣即使實際的電橋激勵電壓變化也不會影響測量精度。這種比率式測量方式消除了激勵源中的溫度漂移和極低頻率噪聲對輸出精確度的影響。為了濾除adc輸入端來自稱重傳感器的噪聲，通常使用一個簡單的一階rc濾波器。

pcb布線

印刷電路板(pcb)布線對于使用高精度∑-△adc以達(dá)到最佳噪聲性能非常關(guān)鍵。最重要的是接地和電源退耦。在本參考設(shè)計中，接地面分為模擬部分和數(shù)字部分。ad7799位于這兩個接地面之間的上方。在ad7799的正下面使用一個起始點連接兩個接地面。ad7799的gnd引腳應(yīng)與模擬地相接。在本設(shè)計中，僅使用一個電源供電，但是在avdd和dvdd引腳之間接一個鐵氧體磁珠。鐵氧體磁珠在低頻處具有低阻抗，在高頻處具有高阻抗的特性。因此，鐵氧體磁珠可抑制dvdd中的高頻噪聲。當(dāng)選用鐵氧體磁珠時，應(yīng)當(dāng)研究其阻抗頻率特性。本設(shè)計選用600 表面貼裝的鐵氧體磁珠。最后，通常使用0.1 f和10 f的電容器對avdd和dvdd電源進(jìn)行去耦；這兩個電容器都應(yīng)放在盡可靠近ad7799的地方。