基于AD7192的電子秤系統(tǒng)

　　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)，因此能夠簡化電子秤設(shè)計(jì)。該器件可在4.7Hz至4.8kHz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)。　　　　
　　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。來自稱重傳感器的低電平信號(hào)由AD7192的內(nèi)置PGA放大。該P(yáng)GA經(jīng)過編程，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)際的測試設(shè)置。為實(shí)現(xiàn)*系統(tǒng)性能，該測試設(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)檢測引腳。這些檢測引腳分別與惠斯登電橋的和低端相連，因此可以測量電橋上產(chǎn)生的電壓。此外，AD7192具有差分模擬輸入，接受差分基準(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*比率式。另外，低端上也會(huì)有線路電阻引起的壓降。　　　　
　　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5V電源供電。數(shù)字電源獨(dú)立于模擬電源，可以為2.7V至5.25V范圍內(nèi)的任意電壓。微控制器采用3.3V電源。因此，DVDD也采用3.3V電源供電。這樣就無需外部電平轉(zhuǎn)換，從而可以簡化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)5V低噪聲穩(wěn)壓器用來確保AD7192和稱重傳感器獲得低噪聲電源。低噪聲穩(wěn)壓器ADP3303（5V）用來產(chǎn)生5V電源。虛線框內(nèi)顯示的濾波器網(wǎng)絡(luò)用來確保系統(tǒng)獲得低噪聲AVDD。此外，按照ADP3303（5V）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)過濾波，然后再給AD7192和稱重傳感器供電。3.3V數(shù)字電源可利用ADP3303（3.3V）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2mV/V的2kg稱重傳感器，則激勵(lì)電壓為5V時(shí)，來自稱重傳感器的滿量程信號(hào)為10mV。稱重傳感器具有相關(guān)失調(diào)電壓或TARE。此TARE的幅度zui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zui高可達(dá)滿量程±20%的增益誤差。一些客戶利用DAC來消除或抵消TARE。如果AD7192采用5V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±40mV。相對(duì)于稱重傳感器的滿量程信號(hào)（10mV）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前端過載。
　　
　　當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為4.7Hz時(shí)，AD7192的均方根噪聲為11nV。無噪聲采樣數(shù)等于　　
　　其中系數(shù)6.6用來將均方根電壓轉(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1kg重物置于稱重傳感器上，并收集500次轉(zhuǎn)換結(jié)果所測得的輸出性能。軟件計(jì)算的系統(tǒng)噪聲為14nV和98nV（峰峰值），相當(dāng)于102,000無噪聲采樣數(shù)或16.6位無噪聲碼分辨率。　　　　　　
　　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)一步提高無噪聲采樣數(shù)，但數(shù)據(jù)速率會(huì)降低。