針對電子秤的全套前端解決方案

　　ADS1232和 ADS1234均為德州儀器 (TI) 推出的橋接傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。為了更好地了解這些 ADC，讓我們首先來了解一下目標(biāo)應(yīng)用：電子秤。電子秤的應(yīng)用范圍及數(shù)量正日益增長。例如，商用電子秤以重量來記錄商品的價格。在運輸方面，用電子秤來核實運輸貨物的重量。計算盤通過監(jiān)控包裝裝配線容器的重量來確定裝滿容器的時間，科學(xué)用秤則用來在實驗期間提供重量的精確度分析。

　　無論是何種應(yīng)用，所有這些不同類型電子秤的核心都是一個高精度數(shù)字化過程，即將被測量物體的重量轉(zhuǎn)換成一個可以顯示或者可以進行數(shù)據(jù)資料記錄的數(shù)字值。盡管將重量轉(zhuǎn)換為電子信號有多種方法，但最為常用的方法也許是采用一個配置為惠斯通電橋 (Whetstone bridge) 的阻性負(fù)載單元。圖 1 顯示了一個橋接結(jié)構(gòu)，在該橋接中，其中一個電阻的值會因施加的重量不同而不同。根據(jù)該橋接的不同結(jié)構(gòu)，當(dāng)施加重量時會有更多電阻器的值可能會發(fā)生改變。不管怎樣，可以在該橋接的頂部和底部應(yīng)用一個激發(fā)電壓。在中間節(jié)點上，以差動電壓的形式對輸出信號進行測量。

　　圖 1 惠斯通電橋阻性負(fù)載單元

　　設(shè)計電子秤時面臨的挑戰(zhàn)是：如何對電阻橋接產(chǎn)生的信號進行高精度測量，這是因為該信號通常很小。負(fù)載單元通常由輸出電壓來確定，該輸出電壓是在施加負(fù)載單元最大額定重量時為 1V 激發(fā)電壓產(chǎn)生的。規(guī)格以單位 mV/V 來確定。例如，由 5V 電壓激發(fā)的 4mV/V 負(fù)載單元所具有的滿量程輸出電壓僅為 20mV。請記住，這是最大輸出電壓。為了確定數(shù)字轉(zhuǎn)換器要求的精確度，該橋接的滿量程電壓必須除以理想的秤精度（其通常以計數(shù)來表示）。假設(shè)為同樣的 4mV/V 負(fù)載單元由 5V 電壓激發(fā)，則該秤要求有一個 20,000 精度的計數(shù)。反過來，這就要求數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠?qū)?(4mV/V)(5V)/20,000 = 1000nV 的信號進行重復(fù)測量。

　　那么，讓我們來進行更具挑戰(zhàn)性的設(shè)計吧！為了獲得優(yōu)異的電子秤設(shè)計，數(shù)據(jù)讀取必須極其穩(wěn)定。也就是說，不能存在由于噪聲干擾而出現(xiàn)代碼之間閃爍或切換。這一要求對數(shù)字轉(zhuǎn)換器又提出了更多的要求，從而需要比電子秤向用戶報告的數(shù)值更為精確的內(nèi)部精度。具有比顯示值高出10倍的內(nèi)部精確度并不罕見。如果是在前面的負(fù)載單元實例中，則要求具有 100nV 的內(nèi)部精度！

　　假設(shè)存在極小的橋接傳感器信號且需要極高精度的測量，許多電子秤廠商過去一直使用一種極低噪聲增益級在數(shù)字化之前放大來自橋接的信號。許多電子秤上重量變化相對較慢的情況下，增益級帶寬通常并不是一個大問題。盡管如此，關(guān)鍵是增益級能夠在溫度和時間變化中均要非常穩(wěn)定。大多數(shù)電子秤只需要廠方或用戶定期校準(zhǔn)即可。由 PGA 時間或者溫度漂移引起的任何增益改變，都會對電子秤的精確度產(chǎn)生負(fù)面影響。實際上，在一些高端電子秤設(shè)計中，增益級在時間和溫度變化中的穩(wěn)定性就決定了整個電子秤的規(guī)格。通常， PGA 后面的一個高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 會對放大電壓進行數(shù)字轉(zhuǎn)換。在被測量信號緩慢地不斷變化并需要極高精度的情況下，則常常使用 Δ-Σ 拓?fù)鋪韺嵤?ADC。由于使用了增益級，因此 ADC 對于時間和溫度的穩(wěn)定性就變得非常重要，以免制約整體性能。

　　此外，由于可以將橋接激發(fā)電壓用作參考電壓（參見圖 2），所以 ADC 應(yīng)能進行“比例計量”測量。來自橋接的輸出信號與帶有衰減系數(shù)的激發(fā)電壓成正比例關(guān)系，而這種衰減系數(shù)由施加于負(fù)載單元的重量來決定。通過使用 ADC 以“比例計量”的方式對負(fù)載單元信號進行測量，也就是說將激發(fā)電壓作為 ADC 的參考電壓可以抵消該激發(fā)電壓絕對值的變化。但這種做法反過來又會降低電子秤設(shè)計的靈敏度與穩(wěn)健性。

　　圖 2 利用一個 ADC 對負(fù)載單元的比例計量測量

　　考慮到這些要求，TI 開發(fā)出了 ADS1232（雙通道輸入）和 ADS1234（四通道輸入），為電子秤設(shè)計人員提供了一個簡單的高性能、低成本、單芯片橋接傳感器輸出數(shù)字化解決方案。ADS1232 和 ADS1234 均在一個電子秤前端（見圖 3）中集成了所有的關(guān)鍵模塊，唯一的區(qū)別在于他們所支持的輸入通道數(shù)目有所不同。一種可編程增益放大器 (PGA) 允許用戶選擇增益系數(shù)為 1、2、64 或 128 的增益。當(dāng)橋接被直接連至 ADS1232/4 時，才使用增益系數(shù)為 64 和 128 的增益。增益系數(shù) 1 和 2 的增益允許在橋接和 ADS1232/4 之間使用一個可選外部增益級。運用 TI 新型先進高性能、亞微米混合信號 CMOS 工藝制造出來的 ADS1232/4 PGA 是一款創(chuàng)新型解決方案，其具有最小化低頻噪聲和在整個溫度范圍內(nèi)保持最小失調(diào)漂移的特性。PGA 中使用的高精度板上電阻器能夠在整個溫度與時間范圍內(nèi)提供出色的增益穩(wěn)定性。

　　PGA 之后是一個板上 24 位 Δ-Σ ADC，其允許使用 5V 參考電壓，以支持比例計量測量。該 ADC 的板上數(shù)字濾波器提供了一個 10 采樣/秒 (SPS) 或 80SPS 的可選數(shù)據(jù)速率。當(dāng)采用 10 SPS 時，可同時抑制 50 Hz 和 60 Hz 線壓周期干擾，同時更高的速度帶來更快的更新。這對于那些需要快速響應(yīng)的電子秤或者要求高數(shù)據(jù)速率的后處理算法而言非常有用。

　　盡管在需要時可以使用一個外部時鐘源，但是 ADS1232/4 的高精度板上振蕩器無需使用一個外部振蕩器或晶振即可工作。ADS1232/4 的所有控制均由一些專門引腳來實現(xiàn)。通過消除對所有寄存器進行編程的需要，這種架構(gòu)極大地簡化了軟件開發(fā)。最后，通過一種簡單的只讀接口可以輕松檢索 ADC 的數(shù)據(jù)輸出。由于 TI 混合信號工藝的高密度容量，ADS1232 能夠適合于 24 引腳超薄緊縮型小外形封裝 (TSSOP)，而 ADS1234則采用 28 引腳 TSSOP。

　　為了更好地說明 ADS1232/4 的性能，圖 4 顯示了一個 10 秒間隔的輸出讀數(shù)，其數(shù)據(jù)速率為 10 (SPS)，PGA 增益系數(shù)為 128，參考電壓為 5V 橋接激發(fā)電壓。左軸以最低位 (LSB) 為單位顯示了 ADS1232/4 的輸出讀數(shù)，而右軸則以 nV 為單位顯示了該輸出讀取。均方根 (rms) 噪聲僅為 17nV，峰至峰噪聲僅為 110nV?；剡^頭再去看一下前面提到的那個 5V 激發(fā)電壓的 4mV/V 負(fù)載單元實例，ADS1232 在同該負(fù)載單元一起使用時，會提供超過 180,000 計數(shù)的內(nèi)部精度，并且無需額外的組件或者輸出數(shù)據(jù)的后處理。ADS1232/4 的噪聲將會以數(shù)據(jù)速率、PGA 和參考電壓函數(shù)的形式而變化，注意到這一點非常重要。您可以登錄網(wǎng)站 www.ti.com獲得有關(guān) ADS1232/4 的產(chǎn)品說明書，其中提供的噪聲列表顯示了不同設(shè)置情況下的性能。

　　圖 4 ADS1232 噪聲性能

　　作為對電子秤設(shè)計人員的一種幫助，TI 還開發(fā)出一種使用 ADS1232 的電子秤參考設(shè)計，即 ADS1232REF。圖 5 顯示了其結(jié)構(gòu)圖。ADS1232 作為該設(shè)計的核心，直接將電子秤負(fù)載單元信號數(shù)字化。MSP430 微控制器可收集 ADS1232 數(shù)據(jù)，驅(qū)動 LCD 顯示，對來自交換機的用戶輸入進行譯碼，并通過一個 USB 連接同一臺可選 PC 進行通信。圖 6 突出顯示了該電路板的幾個關(guān)鍵元件。用戶將負(fù)載單元連接至指示的連接器。跳線可以在 ADS1232 輸入的前面繞過可選 RC 濾波器。可以將參考電壓在一個外部激發(fā)電壓或模擬電源之間進行切換。電源由一個外部 DC 電源提供。在獨立模式下，主控制開關(guān)控制整個運行。然后，MSP430 將用戶選擇的數(shù)據(jù)顯示在 LCD 上。在 PC 模式下，USB 接口允許使用一臺 PC 來控制運行，并將數(shù)據(jù)輸出顯示在 PC 的顯示器上。如欲了解有關(guān) ADS1232REF 的更多詳情，敬請訪問 TI 的網(wǎng)站下載《用戶指南》。

　　圖 5 ADS1232REF 電子秤參考設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

　　圖 6 ADS1232REF 電子秤參考設(shè)計

　　總之，在各種應(yīng)用中電子秤正變得越來越流行。負(fù)載單元也許是最為常見的重量傳感器，其輸出的信號極小，要將這種小信號精確地測量出來是一個巨大的挑戰(zhàn)。ADS1232 和 ADS1234 提供了單芯片解決方案，使電子秤設(shè)計人員可以輕松快速地開發(fā)出一種小型低成本高性能的電子秤。ADS1232REF 參考設(shè)計允許用戶使用自己的負(fù)載單元來對 ADS1232 進行性能評估，并作為完整電子秤設(shè)計的基礎(chǔ)。