利用24位Σ-Δ型ADC實(shí)現(xiàn)精密電子秤設(shè)計(jì)

電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　本電路為采用AD7192構(gòu)建的電子秤系統(tǒng)。AD7192是一款超低噪聲、低漂移24位Σ-Δ轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置PGA。該器件將大多數(shù)系統(tǒng)構(gòu)建模塊置于芯片內(nèi)，因此能夠簡(jiǎn)化電子秤設(shè)計(jì)。該器件可在4.7 Hz至4.8 kHz的完整輸出數(shù)據(jù)速率范圍內(nèi)工作，并保持良好的性能，因此可用于以較低速度工作的電子秤系統(tǒng)，以及料斗秤等較高速電子秤系統(tǒng)。

圖1：采用AD7192的電子秤系統(tǒng)（原理示意圖，未顯示所有連接）

　　電路描述

　　AD7192提供一種集成式電子秤解決方案，可以直接與稱重傳感器接口。只需在模擬輸入端用一些濾波器，在基準(zhǔn)電壓引腳上配置一些電容等外部元件，便可滿足電磁屏蔽(EMC)要求。來(lái)自稱重傳感器的低電平信號(hào)由AD7192的內(nèi)置PGA放大。該PGA經(jīng)過(guò)編程，以128的增益工作。AD7192的轉(zhuǎn)換結(jié)果送至微控制器，將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為重量并顯示在LCD上。

　　圖2所示為實(shí)際的測(cè)試設(shè)置。為實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能，該測(cè)試設(shè)置使用一個(gè)6線式稱重傳感器。除激勵(lì)、接地和2個(gè)輸出連接外，6線式稱重傳感器還有2個(gè)檢測(cè)引腳。這些檢測(cè)引腳分別與惠斯登電橋的高端和低端相連，因此可以精確測(cè)量電橋上產(chǎn)生的電壓。此外，AD7192具有差分模擬輸入，接受差分基準(zhǔn)電壓。稱重傳感器差分SENSE線路與AD7192基準(zhǔn)電壓輸入端相連，可構(gòu)成一個(gè)比率式配置，不受電源激勵(lì)電壓的低頻變化影響。如果采用4線式稱重傳感器，則不存在檢測(cè)引腳，ADC基準(zhǔn)電壓引腳將與激勵(lì)電壓和地相連。這種配置中，由于存在線路電阻，激勵(lì)電壓與SENSE+之間將有壓降，因此系統(tǒng)不是完全比率式。另外，低端上也會(huì)有線路電阻引起的壓降。

圖2：采用AD7192的電子秤系統(tǒng)

　　AD7192具有單獨(dú)的模擬電源和數(shù)字電源。模擬部分必須采用5 V電源供電。數(shù)字電源獨(dú)立于模擬電源，可以為2.7 V至5.25 V范圍內(nèi)的任意電壓。微控制器采用3.3 V電源。因此，DVDD也采用3.3 V電源供電。這樣就無(wú)需外部電平轉(zhuǎn)換，從而可以簡(jiǎn)化ADC與微控制器之間的接口。

　　有多種方法可以為該電子秤系統(tǒng)供電，例如：利用主電源或利用電池（如圖1所示）供電。一個(gè)5 V低噪聲穩(wěn)壓器用來(lái)確保AD7192和稱重傳感器獲得低噪聲電源。低噪聲穩(wěn)壓器ADP3303 (5 V)用來(lái)產(chǎn)生5 V電源。虛線框內(nèi)顯示的濾波器網(wǎng)絡(luò)用來(lái)確保系統(tǒng)獲得低噪聲AVDD。此外，按照ADP3303 (5 V)數(shù)據(jù)手冊(cè)的建議，在穩(wěn)壓器輸出端配有降噪電容。為優(yōu)化電磁屏蔽性能，穩(wěn)壓器輸出先經(jīng)過(guò)濾波，然后再給AD7192和稱重傳感器供電。3.3 V數(shù)字電源可利用ADP3303 (3.3 V)穩(wěn)壓器產(chǎn)生。由于電源或接地層上的任何噪聲都會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)噪聲，導(dǎo)致電路性能降低，因此必須用低噪聲穩(wěn)壓器產(chǎn)生供給AD7192和稱重傳感器的全部電源。

　　如果使用靈敏度為2 mV/V的2 kg稱重傳感器，則激勵(lì)電壓為5 V時(shí)，來(lái)自稱重傳感器的滿量程信號(hào)為10 mV。稱重傳感器具有相關(guān)失調(diào)電壓或TARE。此TARE的幅度最高可達(dá)稱重傳感器滿量程輸出信號(hào)的50%。稱重傳感器還有最高可達(dá)滿量程±20%的增益誤差。一些客戶利用DAC來(lái)消除或抵消TARE。如果AD7192采用5 V基準(zhǔn)電壓，則增益設(shè)置為128且器件配置為雙極性工作模式時(shí)，其模擬輸入范圍等于±40 mV。相對(duì)于稱重傳感器的滿量程信號(hào)(10 mV)而言，AD7192的模擬輸入范圍較寬，這有利于確保稱重傳感器的失調(diào)電壓和增益誤差不會(huì)使ADC前端過(guò)載。

　　當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為4.7 Hz時(shí)，AD7192的均方根噪聲為11 nV。無(wú)噪聲采樣數(shù)等于

　　其中系數(shù)6.6用來(lái)將均方根電壓轉(zhuǎn)換為峰峰值電壓。

　　以克(g)為單位表示的分辨率等于

　　無(wú)噪聲碼分辨率等于

　　在實(shí)際操作中，稱重傳感器本身會(huì)引入一定的噪聲。AD7192的漂移也會(huì)導(dǎo)致稱重傳感器發(fā)生一定的時(shí)間和溫度漂移。為確定完整系統(tǒng)的精度，可以將該電子秤通過(guò)USB連接器與PC相連，然后利用LabView軟件評(píng)估電子秤系統(tǒng)的性能。圖4顯示將1 kg重物置于稱重傳感器上，并收集500次轉(zhuǎn)換結(jié)果所測(cè)得的輸出性能。軟件計(jì)算的系統(tǒng)噪聲為14 nV和98 nV（峰峰值），相當(dāng)于102,000無(wú)噪聲采樣數(shù)或16.6位無(wú)噪聲碼分辨率。

圖3：500次采樣所測(cè)得的輸出碼，體現(xiàn)出噪聲的影響

圖4：500次采樣所測(cè)得的輸出碼，體現(xiàn)出噪聲的影響

　　圖4顯示重量方面的性能。相對(duì)于500個(gè)碼，輸出的變化量為0.02克。因此，該電子秤系統(tǒng)的精度達(dá)到0.02克。

　　上圖所示為連接稱重傳感器之后，從AD7192回讀得到的實(shí)際轉(zhuǎn)換結(jié)果。在實(shí)際操作中，電子秤系統(tǒng)會(huì)采用數(shù)字后置濾波器。在后置濾波器中另外執(zhí)行均值計(jì)算會(huì)進(jìn)一步提高無(wú)噪聲采樣數(shù)，但數(shù)據(jù)速率會(huì)降低。

常見(jiàn)變化

　　注意：本文的所有噪聲規(guī)格均相對(duì)于PGA增益為128而言。

　　AD7192是一款高精度ADC，適用于高端電子秤。其它合適的ADC有AD7190 和 AD7191。AD7190與AD7192引腳兼容，但前者的均方根噪聲略低。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率均為4.7 Hz時(shí)，AD7190的均方根噪聲為8.5 nV，AD7192的均方根噪聲為11 nV。AD7191是一款引腳可編程器件，具有四種輸出數(shù)據(jù)速率和四種增益設(shè)置。由于它具有引腳可編程性能，并且功能較少，因此易于使用。AD7191的均方根噪聲與AD7192相同。

　　AD7799適用于中端電子秤。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為4.17 Hz時(shí)，其均方根噪聲為27 nV。

　　AD7798、 AD7781和AD7780均適用于低端電子秤。AD7798與AD7799的功能組合相同。在4.17 Hz時(shí)，其均方根噪聲為40 nV。AD7780和AD7781均有一路差分模擬輸入，并且引腳可編程，輸出數(shù)據(jù)速率可以為10 Hz和17.6 Hz，增益可設(shè)置為1或128。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為10 Hz時(shí)，均方根噪聲為44 nV。

　　與其它高精度電路一樣，必須采用適當(dāng)?shù)牟季?、接地和去耦技術(shù)。欲了解更多信息，請(qǐng)參考教程MT-031——“實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開(kāi)AGND和DGND的謎團(tuán)” ，以及教程MT-101——“去耦技術(shù)”。