利用24位Σ-Δ型ADC實(shí)現精密電子秤設計

電路功能與優(yōu)勢

　　本電路為采用AD7192構建的電子秤系統。AD7192是一款超低噪聲、低漂移24位Σ-Δ轉換器，內置PGA。該器件將大多數系統構建模塊置于芯片內，因此能夠簡(jiǎn)化電子秤設計。該器件可在4.7 Hz至4.8 kHz的完整輸出數據速率范圍內工作，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，以及料斗秤等較高速電子秤系統。

圖1：采用AD7192的電子秤系統（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(chēng)重傳感器接口。只需在模擬輸入端用一些濾波器，在基準電壓引腳上配置一些電容等外部元件，便可滿(mǎn)足電磁屏蔽(EMC)要求。來(lái)自稱(chēng)重傳感器的低電平信號由AD7192的內置PGA放大。該PGA經(jīng)過(guò)編程，以128的增益工作。AD7192的轉換結果送至微控制器，將數字信息轉換為重量并顯示在LCD上。

　　圖2所示為實(shí)際的測試設置。為實(shí)現最佳系統性能，該測試設置使用一個(gè)6線(xiàn)式稱(chēng)重傳感器。除激勵、接地和2個(gè)輸出連接外，6線(xiàn)式稱(chēng)重傳感器還有2個(gè)檢測引腳。這些檢測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，接受差分基準電壓。稱(chēng)重傳感器差分SENSE線(xiàn)路與AD7192基準電壓輸入端相連，可構成一個(gè)比率式配置，不受電源激勵電壓的低頻變化影響。如果采用4線(xiàn)式稱(chēng)重傳感器，則不存在檢測引腳，ADC基準電壓引腳將與激勵電壓和地相連。這種配置中，由于存在線(xiàn)路電阻，激勵電壓與SENSE+之間將有壓降，因此系統不是完全比率式。另外，低端上也會(huì )有線(xiàn)路電阻引起的壓降。

圖2：采用AD7192的電子秤系統

　　AD7192具有單獨的模擬電源和數字電源。模擬部分必須采用5 V電源供電。數字電源獨立于模擬電源，可以為2.7 V至5.25 V范圍內的任意電壓。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低噪聲穩壓器用來(lái)確保AD7192和稱(chēng)重傳感器獲得低噪聲電源。低噪聲穩壓器ADP3303 (5 V)用來(lái)產(chǎn)生5 V電源。虛線(xiàn)框內顯示的濾波器網(wǎng)絡(luò )用來(lái)確保系統獲得低噪聲AVDD。此外，按照ADP3303 (5 V)數據手冊的建議，在穩壓器輸出端配有降噪電容。為優(yōu)化電磁屏蔽性能，穩壓器輸出先經(jīng)過(guò)濾波，然后再給AD7192和稱(chēng)重傳感器供電。3.3 V數字電源可利用ADP3303 (3.3 V)穩壓器產(chǎn)生。由于電源或接地層上的任何噪聲都會(huì )給系統帶來(lái)噪聲，導致電路性能降低，因此必須用低噪聲穩壓器產(chǎn)生供給AD7192和稱(chēng)重傳感器的全部電源。

　　如果使用靈敏度為2 mV/V的2 kg稱(chēng)重傳感器，則激勵電壓為5 V時(shí)，來(lái)自稱(chēng)重傳感器的滿(mǎn)量程信號為10 mV。稱(chēng)重傳感器具有相關(guān)失調電壓或TARE。此TARE的幅度最高可達稱(chēng)重傳感器滿(mǎn)量程輸出信號的50%。稱(chēng)重傳感器還有最高可達滿(mǎn)量程±20%的增益誤差。一些客戶(hù)利用DAC來(lái)消除或抵消TARE。如果AD7192采用5 V基準電壓，則增益設置為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。相對于稱(chēng)重傳感器的滿(mǎn)量程信號(10 mV)而言，AD7192的模擬輸入范圍較寬，這有利于確保稱(chēng)重傳感器的失調電壓和增益誤差不會(huì )使ADC前端過(guò)載。

　　當輸出數據速率為4.7 Hz時(shí)，AD7192的均方根噪聲為11 nV。無(wú)噪聲采樣數等于

　　其中系數6.6用來(lái)將均方根電壓轉換為峰峰值電壓。

　　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(chēng)重傳感器本身會(huì )引入一定的噪聲。AD7192的漂移也會(huì )導致稱(chēng)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軟件評估電子秤系統的性能。圖4顯示將1 kg重物置于稱(chēng)重傳感器上，并收集500次轉換結果所測得的輸出性能。軟件計算的系統噪聲為14 nV和98 nV（峰峰值），相當于102,000無(wú)噪聲采樣數或16.6位無(wú)噪聲碼分辨率。

圖3：500次采樣所測得的輸出碼，體現出噪聲的影響

圖4：500次采樣所測得的輸出碼，體現出噪聲的影響

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

　　上圖所示為連接稱(chēng)重傳感器之后，從AD7192回讀得到的實(shí)際轉換結果。在實(shí)際操作中，電子秤系統會(huì )采用數字后置濾波器。在后置濾波器中另外執行均值計算會(huì )進(jìn)一步提高無(wú)噪聲采樣數，但數據速率會(huì )降低。

常見(jiàn)變化

　　注意：本文的所有噪聲規格均相對于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。當輸出數據速率均為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，具有四種輸出數據速率和四種增益設置。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。當輸出數據速率為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，輸出數據速率可以為10 Hz和17.6 Hz，增益可設置為1或128。當輸出數據速率為10 Hz時(shí)，均方根噪聲為44 nV。

　　與其它高精度電路一樣，必須采用適當的布局、接地和去耦技術(shù)。欲了解更多信息，請參考教程MT-031——“實(shí)現數據轉換器的接地并解開(kāi)AGND和DGND的謎團” ，以及教程MT-101——“去耦技術(shù)”。