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轉換器 (ADC)。為了更好地了解這些 ADC，讓我們首先來(lái)了解一下目標應用：電子秤。電子秤的應用范圍及數量正日益增長(cháng)。例如，商用電子秤以重量來(lái)記錄商品的價(jià)格。在運輸方面，用電子秤來(lái)核實(shí)運輸貨物的重量。計算盤(pán)通過(guò)監控包裝裝配線(xiàn)容器的重量來(lái)確定裝滿(mǎn)容器的時(shí)間，科學(xué)用秤則用來(lái)在實(shí)驗期間提供重量的精確度分析。

　　無(wú)論是何種應用，所有這些不同類(lèi)型電子秤的核心都是一個(gè)高精度數字化過(guò)程，即將被測量物體的重量轉換成一個(gè)可以顯示或者可以進(jìn)行數據資料記錄的數字值。盡管將重量轉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(gè)配置為惠斯通電橋 (Whetstone bridge) 的阻性負載單元。圖 1 顯示了一個(gè)橋接結構，在該橋接中，其中一個(gè)電阻的值會(huì )因施加的重量不同而不同。根據該橋接的不同結構，當施加重量時(shí)會(huì )有更多電阻器的值可能會(huì )發(fā)生改變。不管怎樣，可以在該橋接的頂部和底部應用一個(gè)激發(fā)電壓。在中間節點(diǎn)上，以差動(dòng)電壓的形式對輸出信號進(jìn)行測量。

　　圖 1 惠斯通電橋阻性負載單元

　　設計電子秤時(shí)面臨的挑戰是：如何對電阻橋接產(chǎn)生的信號進(jìn)行高精度測量，這是因為該信號通常很小。負載單元通常由輸出電壓來(lái)確定，該輸出電壓是在施加負載單元最大額定重量時(shí)為 1V 激發(fā)電壓產(chǎn)生的。規格以單位 mV/V 來(lái)確定。例如，由 5V 電壓激發(fā)的 4mV/V 負載單元所具有的滿(mǎn)量程輸出電壓僅為 20mV。請記住，這是最大輸出電壓。為了確定數字轉換器要求的精確度，該橋接的滿(mǎn)量程電壓必須除以理想的秤精度（其通常以計數來(lái)表示）。假設為同樣的 4mV/V 負載單元由 5V 電壓激發(fā)，則該秤要求有一個(gè) 20,000 精度的計數。反過(guò)來(lái)，這就要求數字轉換器能夠對 (4mV/V)(5V)/20,000 = 1000nV 的信號進(jìn)行重復測量。

　　那么，讓我們來(lái)進(jìn)行更具挑戰性的設計吧！為了獲得優(yōu)異的電子秤設計，數據讀取必須極其穩定。也就是說(shuō)，不能存在由于噪聲干擾而出現代碼之間閃爍或切換。這一要求對數字轉換器又提出了更多的要求，從而需要比電子秤向用戶(hù)報告的數值更為精確的內部精度。具有比顯示值高出10倍的內部精確度并不罕見(jiàn)。如果是在前面的負載單元實(shí)例中，則要求具有 100nV 的內部精度！

　　假設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(chǎng)商過(guò)去一直使用一種極低噪聲增益級在數字化之前放大來(lái)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(gè)大問(wèn)題。盡管如此，關(guān)鍵是增益級能夠在溫度和時(shí)間變化中均要非常穩定。大多數電子秤只需要廠(chǎng)方或用戶(hù)定期校準即可。由 PGA 時(shí)間或者溫度漂移引起的任何增益改變，都會(huì )對電子秤的精確度產(chǎn)生負面影響。實(shí)際上，在一些高端電子秤設計中，增益級在時(shí)間和溫度變化中的穩定性就決定了整個(gè)電子秤的規格。通常， PGA 后面的一個(gè)高精度模數轉換器 (ADC) 會(huì )對放大電壓進(jìn)行數字轉換。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 拓撲來(lái)實(shí)施 ADC。由于使用了增益級，因此 ADC 對于時(shí)間和溫度的穩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(jiàn)圖 2），所以 ADC 應能進(jìn)行“比例計量”測量。來(lái)自橋接的輸出信號與帶有衰減系數的激發(fā)電壓成正比例關(guān)系，而這種衰減系數由施加于負載單元的重量來(lái)決定。通過(guò)使用 ADC 以“比例計量”的方式對負載單元信號進(jìn)行測量，也就是說(shuō)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(guò)來(lái)又會(huì )降低電子秤設計的靈敏度與穩健性。

　　圖 2 利用一個(gè) ADC 對負載單元的比例計量測量

　　考慮到這些要求，TI 開(kāi)發(fā)出了 ADS1232（雙通道輸入）和 ADS1234（四通道輸入），為電子秤設計人員提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的高性能、低成本、單芯片橋接傳感器輸出數字化解決方案。ADS1232 和 ADS1234 均在一個(gè)電子秤前端（見(jiàn)圖 3）中集成了所有的關(guān)鍵模塊，唯一的區別在于他們所支持的輸入通道數目有所不同。一種可編程增益放大器 (PGA) 允許用戶(hù)選擇增益系數為 1、2、64 或 128 的增益。當橋接被直接連至 ADS1232/4 時(shí)，才使用增益系數為 64 和 128 的增益。增益系數 1 和 2 的增益允許在橋接和 ADS1232/4 之間使用一個(gè)可選外部增益級。運用 TI 新型先進(jìn)高性能、亞微米混合信號 CMOS 工藝制造出來(lái)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(gè)溫度范圍內保持最小失調漂移的特性。PGA 中使用的高精度板上電阻器能夠在整個(gè)溫度與時(shí)間范圍內提供出色的增益穩定性。

　　PGA 之后是一個(gè)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 的板上數字濾波器提供了一個(gè) 10 采樣/秒 (SPS) 或 80SPS 的可選數據速率。當采用 10 SPS 時(shí)，可同時(shí)抑制 50 Hz 和 60 Hz 線(xiàn)壓周期干擾，同時(shí)更高的速度帶來(lái)更快的更新。這對于那些需要快速響應的電子秤或者要求高數據速率的后處理算法而言非常有用。

　　盡管在需要時(shí)可以使用一個(gè)外部時(shí)鐘源，但是 ADS1232/4 的高精度板上振蕩器無(wú)需使用一個(gè)外部振蕩器或晶振即可工作。ADS1232/4 的所有控制均由一些專(zhuān)門(mén)引腳來(lái)實(shí)現。通過(guò)消除對所有寄存器進(jìn)行編程的需要，這種架構極大地簡(jiǎn)化了軟件開(kāi)發(fā)。最后，通過(guò)一種簡(jiǎn)單的只讀接口可以輕松檢索 ADC 的數據輸出。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(shuō)明 ADS1232/4 的性能，圖 4 顯示了一個(gè) 10 秒間隔的輸出讀數，其數據速率為 10 (SPS)，PGA 增益系數為 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，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^(guò)頭再去看一下前面提到的那個(gè) 5V 激發(fā)電壓的 4mV/V 負載單元實(shí)例，ADS1232 在同該負載單元一起使用時(shí)，會(huì )提供超過(guò) 180,000 計數的內部精度，并且無(wú)需額外的組件或者輸出數據的后處理。ADS1232/4 的噪聲將會(huì )以數據速率、PGA 和參考電壓函數的形式而變化，注意到這一點(diǎn)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(shuō)明書(shū)，其中提供的噪聲列表顯示了不同設置情況下的性能。

　　圖 4 ADS1232 噪聲性能

　　作為對電子秤設計人員的一種幫助，TI 還開(kāi)發(fā)出一種使用 ADS1232 的電子秤參考設計，即 ADS1232REF。圖 5 顯示了其結構圖。ADS1232 作為該設計的核心，直接將電子秤負載單元信號數字化。MSP430 微控制器可收集 ADS1232 數據，驅動(dòng) LCD 顯示，對來(lái)自交換機的用戶(hù)輸入進(jìn)行譯碼，并通過(guò)一個(gè) USB 連接同一臺可選 PC 進(jìn)行通信。圖 6 突出顯示了該電路板的幾個(gè)關(guān)鍵元件。用戶(hù)將負載單元連接至指示的連接器。跳線(xiàn)可以在 ADS1232 輸入的前面繞過(guò)可選 RC 濾波器?？梢詫⒖茧妷涸谝粋€(gè)外部激發(fā)電壓或模擬電源之間進(jìn)行切換。電源由一個(gè)外部 DC 電源提供。在獨立模式下，主控制開(kāi)關(guān)控制整個(gè)運行。然后，MSP430 將用戶(hù)選擇的數據顯示在 LCD 上。在 PC 模式下，USB 接口允許使用一臺 PC 來(lái)控制運行，并將數據輸出顯示在 PC 的顯示器上。如欲了解有關(guān) ADS1232REF 的更多詳情，敬請訪(fǎng)問(wèn) TI 的網(wǎng)站下載《用戶(hù)指南》。

　　圖 5 ADS1232REF 電子秤參考設計結構圖

　　圖 6 ADS1232REF 電子秤參考設計

　　總之，在各種應用中電子秤正變得越來(lái)越流行。負載單元也許是最為常見(jiàn)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(lái)是一個(gè)巨大的挑戰。ADS1232 和 ADS1234 提供了單芯片解決方案，使電子秤設計人員可以輕松快速地開(kāi)發(fā)出一種小型低成本高性能的電子秤。ADS1232REF 參考設計允許用戶(hù)使用自己的負載單元來(lái)對 ADS1232 進(jìn)行性能評估，并作為完整電子秤設計的基礎。