高性能低成本電子秤的參考設計

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。大多數電子秤是以1:3,000或1:10,000的分辨率輸出最終的稱(chēng)重值，使用12 bit~14 bit的模數轉換器很容易慢足要求。然而，高精密檢測的電子秤表明要達到這種分辨率，adc的精度需要接近于20 bit。本文將討論一些電子秤系統的技術(shù)指標以及設計和構建一個(gè)電子秤系統所需考慮的問(wèn)題。設計中主要考慮峰峰值（pp）噪聲分辨率、adc的動(dòng)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計，將來(lái)自實(shí)際稱(chēng)重傳感器（又稱(chēng)作負荷傳感器）的測量結果與來(lái)自穩定參考電壓源的輸入進(jìn)行對比。

稱(chēng)重傳感器

最普遍的電子秤應用橋式稱(chēng)重傳感器實(shí)現，稱(chēng)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(chēng)重電橋－一個(gè)具有至少兩個(gè)可變橋臂的4電阻結構的電橋，所稱(chēng)重量引起的電阻變化可產(chǎn)生一個(gè)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(chēng)重傳感器的電靈敏度為滿(mǎn)負荷輸出電壓與激勵電壓的比值，典型值是2mv/v。當使用2 mv/v靈敏度和5 v激勵電壓的傳感器時(shí)，其滿(mǎn)度輸出電壓為10 mv。通常，為了使用稱(chēng)重傳感器線(xiàn)性度最好的一段稱(chēng)重范圍，應當僅使用滿(mǎn)度范圍的三分之二。因此滿(mǎn)度輸出電壓應當大約為6 mv。當電子秤應用于工業(yè)環(huán)境時(shí)，在6 mv滿(mǎn)度范圍內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大約是0.02%，這一技術(shù)指標相當重要，它限制了使用理想信號調節電路所能達到的精確度，決定了adc分辨率的選擇以及放大電路和濾波器的設計。

漂移

稱(chēng)重傳感器也產(chǎn)生與時(shí)間相關(guān)的漂移。圖2示出24小時(shí)范圍內測量的實(shí)際稱(chēng)重傳感器漂移特性。測量結果表明（使用24 bit adc測量的bit變化數量）具有125 lsb或大約7.5 ppm的總體漂移。

一個(gè)電子秤系統最重要的參數是內部分辨率、adc動(dòng)態(tài)范圍、無(wú)噪聲分辨率、更新速率、系統增益和增益誤差漂移。該系統必須設計成比率工作方式，所以它與電源電壓波動(dòng)無(wú)關(guān)。

內部分辨率

用戶(hù)所見(jiàn)的典型電子秤系統（圖3）的分辨率范圍最低為1：3,000，最高達1:10,000。lcd顯示器上能看到的這種分辨率通常稱(chēng)作外部分辨率。電子秤系統的內部分辨率必須至少應高于外部分辨率一個(gè)數量級。實(shí)際上，某些標準規定系統的內部分辨率應該優(yōu)于外部分辨率的許多倍。

在使用標準高分辨率adc的電子秤應用中，不太可能用adc的整個(gè)滿(mǎn)度范圍。在圖1所示的例子中，稱(chēng)重傳感器的電源電壓是5v，滿(mǎn)度輸出是10 mv，其線(xiàn)性范圍是6 mv。當模擬前端使用增益為128的電路時(shí)，adc輸入的滿(mǎn)度將是768 mv。如果使用標準的2.5 v參考電壓，則僅用了adc動(dòng)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。

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

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

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

無(wú)噪聲分辨率

當人們閱讀產(chǎn)品技術(shù)資料時(shí)，一個(gè)普遍性的錯誤是沒(méi)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。在電子秤應用中，最重要的技術(shù)指標是p-p噪聲，它決定了無(wú)噪聲編碼分辨率。 adc的無(wú)噪聲編碼分辨率是指超過(guò)這個(gè)位（bit）數它就不能清楚分辨個(gè)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(gè)數值。將rms噪聲乘以6.6(包含了分布中99.9%的值)便可轉換成等效的峰峰值噪聲。

更新速率

系統的無(wú)噪聲分辨率取決于adc的更新速率。在電子秤系統中，設計工程師需要權衡使用最低的更新速率，在最低更新速率時(shí)adc能夠以刷新lcd顯示器所需的輸出數據速率進(jìn)行采樣。對于高端電子秤系統，一般使用10 hz的adc更新速率。

電子秤參考設計 選擇最佳的adc

電子秤設計最佳的adc體系結構是∑-△adc，這種體系結構在低更新速率時(shí)具有低噪聲和高線(xiàn)性度，其噪聲整形和數字濾波功能集成在片內。首先集成高頻率調制器整形量化噪聲以便把噪聲移到調制器頻率的一半處，數字濾波器只通過(guò)低頻信號。

adc還應包含一個(gè)低噪聲可編程增益放大器（pga），它具有很高的內部增益以放大來(lái)自稱(chēng)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(guò)優(yōu)化能保證很低的溫度漂移。在由分立元件構成的配置中，任何由溫度漂移引起的誤差都會(huì )通過(guò)增益級電路被放大。適用于電子秤應用的ad7799具有優(yōu)良的低噪聲指標（27 nv/√hz）和最大增益為128 mv/mv的前端增益級，稱(chēng)重傳感器可以與這類(lèi)adc直接相連。

adi公司設計的電子秤系統評估板的參考設計包含一塊ad7799芯片，由aduc847微控制器控制。aduc847除了為ad7799提供數字接口和實(shí)現數據后處理外，自身也包含一個(gè)24 bit的高性能∑-△adc。這允許用戶(hù)對包含ad7799 adc的系統和使用aduc847的完整系統自身包含的adc之間的測試結果進(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數被噪聲所限制，取決于所使用的輸出字速率和增益設置。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該是常數。但是由于噪聲的存在，將在模擬輸入常數值附近出現編碼擴展。這種噪聲包括adc內的熱噪聲和模數轉換過(guò)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(shí)可保持最敏捷階躍響應的好方法。這里所討論的設計軟件使用均值移動(dòng)算法。

均值移動(dòng)濾波器將來(lái)自輸入信號許多點(diǎn)的值進(jìn)行平均以產(chǎn)生每個(gè)點(diǎn)的輸出信號。濾波器輸入直接取自adc。在對最多m個(gè)數據取平均的操作中，其中最小數據和最大數據（外部數據）都從數據窗口中被刪除。對剩下的m-2個(gè)數據用下面的公式求平均值：

減小稱(chēng)重變化的響應時(shí)間

基本的算法可以提高電子秤的噪聲性能，但是當其稱(chēng)重發(fā)生變化時(shí)會(huì )出現問(wèn)題。當稱(chēng)重變化后，稱(chēng)重傳感器的輸出應在非常短的時(shí)間內達到另一個(gè)平衡狀態(tài)。根據這種算法，濾波器的輸出僅在濾波器更新m次后才能得到最準確的結果。響應時(shí)間受到均值點(diǎn)的數量限制。因此需要一種專(zhuān)門(mén)算法來(lái)判斷稱(chēng)重的變化。圖4示這出種專(zhuān)門(mén)算法的基本流程圖。

對于1:50,00和1:10,000的標準范圍，調整電子秤可顯示0.5 g或1 g的最小刻度。當稱(chēng)重是在兩個(gè)相鄰的顯示稱(chēng)重值之間時(shí)，顯示值將在這兩個(gè)稱(chēng)重值之間發(fā)生閃爍。為了保持穩定的顯示值，可使用一種特殊的算法。

在每個(gè)顯示周期內，軟件決定本周期內顯示的稱(chēng)重值是否與前一個(gè)周期內的值相等。如果相等，lcd輸出將不變，并且處理過(guò)程繼續進(jìn)入下一個(gè)周期。如果不等，將計算這兩個(gè)周期的內部編碼之間的差值。如果差值小于閾值，則認為此變化是由噪聲引起的，所以依然顯示舊的稱(chēng)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計，帶有片內adc的aduc847可以提供一種單芯片解決方案。aduc847集成了一個(gè)24 bit的∑-△adc和8052微控制器內核。其內部的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（byte）的片內程序閃存和4 k字節的片內數據閃存。在測試條件相同的情況下，對aduc847片內集成的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。正如我們所預期的一樣，ad7799具有較低的噪聲，因此它適用于高端應用，相反aduc847適合于要求不太嚴格的電子秤。

電子秤的設計考慮

比率式測量方式

如圖3所示，在電子秤的參考設計中為了達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(gè)參考源）。稱(chēng)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(huì )產(chǎn)生相應的輸出電壓漂移。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(shí)際的電橋激勵電壓變化也不會(huì )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(lái)自稱(chēng)重傳感器的噪聲，通常使用一個(gè)簡(jiǎn)單的一階rc濾波器。

pcb布線(xiàn)

印刷電路板(pcb)布線(xiàn)對于使用高精度∑-△adc以達到最佳噪聲性能非常關(guān)鍵。最重要的是接地和電源退耦。在本參考設計中，接地面分為模擬部分和數字部分。ad7799位于這兩個(gè)接地面之間的上方。在ad7799的正下面使用一個(gè)起始點(diǎn)連接兩個(gè)接地面。ad7799的gnd引腳應與模擬地相接。在本設計中，僅使用一個(gè)電源供電，但是在avdd和dvdd引腳之間接一個(gè)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。當選用鐵氧體磁珠時(shí)，應當研究其阻抗頻率特性。本設計選用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(gè)電容器都應放在盡可靠近ad7799的地方。