高性能、低成本電子秤的參考設(shè)計

Colm Slattery 和 Mariah Nie

電子秤向更高精度和更低成本的方向發(fā)展，對低成本高性能模擬信號處理的需求不斷增加。此要求的范圍并不明顯;大多數(shù)電子秤以1：3，000或1：10，000的分辨率輸出最終重量值，這很容易通過12位至14位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）滿足。然而，對電子秤的仔細(xì)檢查表明，滿足分辨率要求并不容易實現(xiàn);事實上，ADC精度需要接近20位。在本文中，我們將討論電子秤的一些系統(tǒng)規(guī)格，并討論設(shè)計和構(gòu)建電子秤系統(tǒng)的注意事項。考慮的主要方面是峰峰值噪聲分辨率、模數(shù)轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍、增益漂移和濾波。我們將來自實際稱重傳感器的測量數(shù)據(jù)與來自穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓源的輸入進(jìn)行比較，使用電子秤參考設(shè)計作為評估板。

稱重傳感器

最常見的稱重秤實現(xiàn)方案是使用橋式稱重傳感器，其電壓輸出與放置在其上的重量成正比。典型的稱重傳感器電橋如圖1所示;它是一個具有至少兩個可變臂的4電阻橋電路，其中電阻隨施加的重量而變化，在2.5 V（電源電壓的一半）的共模電平下產(chǎn)生差分電壓。典型的電橋?qū)⒕哂?300 歐姆量級的電阻器。

圖1.稱重傳感器的基本電路。

稱重傳感器本質(zhì)上是單調(diào)的。稱重傳感器的主要參數(shù)是靈敏度、總誤差和漂移。

敏感性

典型稱重傳感器的電靈敏度（定義為滿載輸出與激勵電壓之比）為2 mV/V。具有 2mV/V 靈敏度和 5V 激勵時，滿量程輸出電壓為 10mV。通常，為了使用稱重傳感器量程中最線性的部分，只會使用該范圍的三分之二左右。因此，滿量程輸出電壓約為6 mV。因此，挑戰(zhàn)在于測量6 mV滿量程范圍內(nèi)的小信號變化，以獲得可實現(xiàn)的最高性能，這在通常使用電子秤的工業(yè)環(huán)境中并非易事。

總誤差

總誤差是輸出誤差與額定輸出之比。典型的電子秤的總誤差規(guī)格約為 0.02%。這是一個非常重要的規(guī)格，因為它限制了理想信號調(diào)理電路所能達(dá)到的精度。因此，它決定了A/D轉(zhuǎn)換器分辨率的選擇，以及放大電路和濾波器的設(shè)計。

漂移

稱重傳感器也會隨著時間的推移而漂移。圖2顯示了在24小時內(nèi)測量的實際稱重傳感器漂移特性。在測量期間，溫度基本上是恒定的，因此漂移與溫度無關(guān)。所示結(jié)果（使用24位ADC測量的位變化數(shù)）顯示總漂移為125 LSB，或約7.5 ppm。

圖2.長期稱重傳感器穩(wěn)定性—24 小時繪圖。

電子秤系統(tǒng)

設(shè)計電子秤系統(tǒng)時要考慮的最重要參數(shù)是內(nèi)部計數(shù)、ADC動態(tài)范圍、無噪聲分辨率、更新速率、系統(tǒng)增益和增益誤差漂移。系統(tǒng)必須設(shè)計為比率式，因此與電源電壓無關(guān)——這將在后面討論。

內(nèi)部計數(shù)

如前所述，用戶看到的典型電子秤系統(tǒng)的分辨率范圍從低端的1：3，000到高端解決方案的1：10，000。例如，一個稱重秤的重量分辨率可達(dá) 5 公斤，計數(shù)為 1：10，000，重量分辨率為 0.5 克。此分辨率（如LCD顯示屏所示）通常稱為外部計數(shù)。為了保證準(zhǔn)確滿足此分辨率，系統(tǒng)的內(nèi)部分辨率必須至少提高一個數(shù)量級。事實上，一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定系統(tǒng)的內(nèi)部計數(shù)比外部計數(shù)好 20 倍。對于上面的示例，內(nèi)部計數(shù)需要為 1：200，000。

圖3.典型的稱重系統(tǒng)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍

在使用標(biāo)準(zhǔn)高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的電子秤應(yīng)用中，不太可能使用ADC的整個滿量程范圍。在圖1的示例中，稱重傳感器具有5 V電源和10 mV滿量程輸出。線性范圍為6 mV。在前端使用增益為128級時，ADC輸入將看到約768 mV滿量程。如果使用標(biāo)準(zhǔn)2.5 V基準(zhǔn)電壓源，則僅使用ADC動態(tài)范圍的30%。

如果在1 mV滿量程范圍內(nèi)，內(nèi)部計數(shù)需要精確到200：000，770，則ADC需要提高3×至4×才能滿足性能要求。在這種情況下，對于1：800，000的計數(shù)，ADC將需要19位到20位的精度?，F(xiàn)在可以理解信號處理要求帶來的實際挑戰(zhàn)。

增益和失調(diào)漂移

工業(yè)秤系統(tǒng)通常在 50 攝氏度的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。設(shè)計人員必須考慮系統(tǒng)在高于室溫的溫度下的精度，因為增益隨溫度漂移可能是誤差的主要來源。例如，增益誤差漂移為20 ppm/°C的1位穩(wěn)定系統(tǒng)在50度范圍內(nèi)將具有50 LSB的誤差。盡管系統(tǒng)在1°C時可能穩(wěn)定為25 LSB，但在整個溫度范圍內(nèi)實際上只有50 LSB的精度。因此，在設(shè)計電子秤時，選擇具有低增益漂移的ADC是一個非常重要的考慮因素。

失調(diào)漂移不是那么大的考慮因素。大多數(shù)Σ-Δ型ADC采用固有的斬波模式技術(shù)設(shè)計，具有漂移更低、抗1/f噪聲能力更強(qiáng)等優(yōu)點，這對電子秤設(shè)計人員非常有用。例如，AD7799模數(shù)轉(zhuǎn)換器的失調(diào)漂移規(guī)格為10 nV/°C。 在 20 位系統(tǒng)中，在整個 1 度工作范圍內(nèi)，總共僅產(chǎn)生 4/50 LSB 誤差。

無噪聲分辨率

閱讀數(shù)據(jù)手冊時的一個常見錯誤是沒有注意噪聲是指定為均方根（rms）還是峰峰值（p-p）。對于電子秤應(yīng)用，最重要的規(guī)格是p-p噪聲，它決定了無噪聲代碼分辨率。ADC的無噪聲碼分辨率是分辨率位數(shù)，超過該位數(shù)，由于與所有ADC相關(guān)的有效輸入噪聲，無法明確分辨單個代碼。該噪聲可以表示為均方根量，通常表示為LSB單位的數(shù)量（計數(shù)，2–n滿量程）。乘以 6.6（捕獲標(biāo)準(zhǔn)分布中所有值的 99.9%）得到合理的等效峰峰值（以 LSB 表示）。大多數(shù)ADI公司的Σ-Δ型ADC數(shù)據(jù)手冊都規(guī)定了均方根和峰峰值或無噪聲代碼，如下表所示，摘自AD7799數(shù)據(jù)手冊。

更新速率

在圖4中可以看出，系統(tǒng)的無噪聲分辨率取決于ADC的更新速率。例如，使用2.5 V基準(zhǔn)電壓源和4.17 Hz的更新速率，分辨率為20.5位p-p（增益為128）;而在 500 Hz 時，分辨率降低到 16.5 位。在電子秤系統(tǒng)中，設(shè)計人員需要在ADC采樣的最低更新速率與更新LCD顯示屏所需的輸出數(shù)據(jù)速率之間取得平衡。對于高端電子秤，通常使用10 Hz ADC更新速率。

表I：采用7799.2 V基準(zhǔn)電壓源時AD5的輸出RMS噪聲（mV）與增益和輸出更新速率的關(guān)系

表二.AD7799的典型分辨率（位）與增益和輸出更新速率的關(guān)系

圖4.AD7799模數(shù)轉(zhuǎn)換器的等效輸入噪聲和分辨率。

電子秤參考設(shè)計

選擇最佳ADC

用于電子秤應(yīng)用的最佳ADC架構(gòu)是Σ-Δ，因為它具有低噪聲和低更新速率下的高線性度。另一個好處是噪聲整形和數(shù)字濾波在片內(nèi)實現(xiàn)。高頻調(diào)制器中的集成可形成量化噪聲，使噪聲被推到調(diào)制器頻率的一半。然后，數(shù)字濾波器將響應(yīng)限制在明顯較低的頻率。這大大減少了用戶對ADC數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜后處理的需求。

ADC還應(yīng)包含一個具有高內(nèi)部增益的低噪聲可編程增益放大器（PGA），以放大稱重傳感器的小輸出信號。與具有外部增益電阻的分立放大器相比，集成PGA可以優(yōu)化以提供低溫度漂。采用分立式配置時，溫度漂移引起的任何誤差都將通過增益級放大。AD7799專為電子秤應(yīng)用而設(shè)計，具有出色的噪聲規(guī)格（27 nV/rt-Hz）和最大增益為128 mV/mV的前端增益級。稱重傳感器可以直接連接到該ADC。

圖5是ADI公司設(shè)計的電子秤系統(tǒng)評估板參考設(shè)計的框圖。它由一個AD7799 ADC組成，由ADuC847微控制器控制。除了為AD7799提供數(shù)字接口和實現(xiàn)后處理外，ADuC847微控制器本身還包含一個24位、高性能Σ-Δ型ADC。這樣，用戶就可以比較包含AD7799 ADC的系統(tǒng)與采用ADuC847 ADC的完全獨(dú)立系統(tǒng)（硬件連接相同）的測試結(jié)果，從而選擇最能滿足要求的設(shè)計。

圖5.參考設(shè)計框圖。

測試結(jié)果

下圖顯示了使用電子秤參考設(shè)計的一些測試結(jié)果。所有結(jié)果均基于測量ADC輸出代碼的標(biāo)準(zhǔn)偏差，實際上是均方根噪聲。為了轉(zhuǎn)換為“無噪聲分辨率代碼”，我們使用以下計算：

標(biāo)準(zhǔn)偏差 = 均方根噪聲 （LSB）

峰峰值噪聲 = 6.6 × 均方根噪聲 （LSB）

以分辨率位為單位的噪聲 = log2（p-p 噪聲）

ADC 無噪聲分辨率（位）= 24 –（以位為單位的噪聲）

= 24 – 日志2（6.6 × 均方根噪聲 （LSB）） 分辨率位

圖6顯示了使用基準(zhǔn)電壓作為ADC輸入的測量數(shù)據(jù)。實測基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)分布為3.25 LSB。 乘以6.6計算峰峰值噪聲得到21.65 LSB。 將其轉(zhuǎn)換為分辨率位會產(chǎn)生4.42位噪聲。對于24位ADC，這意味著19.58位的“無噪聲分辨率”。圖7顯示了在典型稱重傳感器上完成的相同測試。在這種情況下，“無噪聲分辨率”為19.4位。這意味著稱重傳感器本身只會給最終結(jié)果增加0.2位噪聲，因此ADC顯示為該噪聲的主要貢獻(xiàn)者。

圖6.AD7799在以下條件下的噪聲性能：增益 = 64，更新速率 = 4.17 Hz，基準(zhǔn)電壓源 = 5 V，輸入短路至基準(zhǔn)電壓源。RMS 噪聲 = 3.2526 LSB，p-p 分辨率 = 19.576 位。

圖7.AD7799在以下情況下的噪聲性能：增益 = 64，更新速率 = 4.17 Hz，基準(zhǔn)電壓源 = 5 V，稱重傳感器輸入。RMS 噪聲 = 3.6782 LSB，p-p 分辨率 = 19.399 位。

改善ADC結(jié)果

低帶寬、高分辨率AD7799的分辨率為24位。但是，如上所示，有效位數(shù)受噪聲限制，具體取決于輸出字速率和使用的增益設(shè)置。為了提高有效分辨率并盡可能多地消除噪聲，ADuC847的微控制器被編程為采用平均算法以獲得更好的性能。圖8顯示了模擬輸入接地時從Σ-Δ型ADC獲得的典型直方圖。理想情況下，對于此固定直流模擬輸入，輸出代碼應(yīng)為常數(shù)。但是，由于噪聲，圍繞恒定模擬輸入值的代碼會分散。這種噪聲是由ADC內(nèi)部的熱噪聲和模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中固有的量化噪聲引起的。代碼傳播本質(zhì)上通常是高斯的。

圖8.測量恒定模擬輸入的ADC的直方圖。

平均濾波器是減少隨機(jī)白噪聲同時保持最銳利階躍響應(yīng)的好方法。這里討論的設(shè)計軟件使用移動平均算法。圖 9 顯示了基本算法流程。

圖9.平均算法。

移動平均濾波器對輸入信號中的多個點求平均值，以產(chǎn)生輸出信號中的每個點。濾波器的輸入直接取自ADC。對最新的 M 個數(shù)據(jù)點進(jìn)行操作，最小和最大的數(shù)據(jù)點（異常值）將從數(shù)據(jù)窗口中刪除。其余 M – 2 點取平均值，如公式所示。

使用移動平均技術(shù)，輸出數(shù)據(jù)速率與輸入數(shù)據(jù)速率相同。這是一階平均。對于更高的更新速率，通常使用二階平均來降低波形色散。在這種情況下，第一階段的輸出通過第二階段進(jìn)行平均，以進(jìn)一步改善結(jié)果。

圖10顯示了AD7799平均后的實測數(shù)據(jù)。將其與圖 5 進(jìn)行比較：平均后，最終結(jié)果提高了約 2.3 位（21.9 位對 19.6 位有效分辨率）。這種技術(shù)可以顯著改善最終結(jié)果，而不會影響LCD輸出更新速率。這種技術(shù)的唯一缺點是由于平均的流水線延遲而導(dǎo)致的建立時間較長。

圖 10.AD7799濾波后的噪聲性能：增益 = 64，更新速率 = 4.17 Hz，基準(zhǔn)電壓源 = 5 V，稱重傳感器輸入。RMS 噪聲 = 0.611 LSB，p-p 分辨率 = 21.9 位。

縮短對重量變化的響應(yīng)時間

基本算法可以提高噪聲性能，但是當(dāng)權(quán)重改變時就出現(xiàn)了問題。重量變化后，稱重傳感器的輸出應(yīng)在很短的時間內(nèi)移動到另一個平衡狀態(tài)。根據(jù)算法，濾波器的輸出只能在濾波器刷新M次后指示最正確的結(jié)果。響應(yīng)時間受平均點數(shù)的限制。需要特定的算法來判斷權(quán)重的變化。圖 11 顯示了此算法的基本流程。

圖 11.權(quán)重變化判斷算法。

首先，使用雙倍的判斷步驟，以避免將故障視為權(quán)重變化。當(dāng)來自ADC的兩個連續(xù)數(shù)據(jù)點和濾波器輸出之間的差異都超過閾值時，這被認(rèn)為是權(quán)重變化。

第二階段的所有M點都將填充相同的新數(shù)據(jù)，以便在重量變化后非?？焖俚靥^稱重傳感器的過渡期。此外，稱重傳感器本身具有穩(wěn)定時間。為了彌補(bǔ)這一點，在檢測到權(quán)重變化后，平均移動窗口中的所有數(shù)據(jù)將在接下來的六個連續(xù)平均周期內(nèi)使用最新的ADC數(shù)據(jù)刷新，以傳遞恢復(fù)時間。六個刷新周期后，平均將恢復(fù)。

消除輸出結(jié)果上的閃爍

稱重秤對齊以顯示 0：5，1 和 1：5，000 標(biāo)準(zhǔn)范圍的 1.10 克分度或 000 克分度。當(dāng)權(quán)重位于兩個相鄰顯示權(quán)重之間的邊距中時，顯示將在這些權(quán)重之間閃爍。為了保持顯示穩(wěn)定，使用了圖12中的算法：

圖 12.代碼更改流程圖。

在每個顯示周期中，軟件決定此周期中顯示的重量是否與前一個周期相同。如果相同，LCD輸出將不會改變，并且該過程將繼續(xù)到下一個周期。如果不同，將計算這兩個周期之間的內(nèi)部代碼差異。如果差值小于閾值，則視為噪聲效應(yīng)，因此仍會顯示舊權(quán)重。如果差值大于閾值，它將更新顯示。

比較ADuC847和AD7799 ADC性能

對于低成本電子秤設(shè)計，ADuC847及其板載ADC可提供單芯片解決方案。ADuC847集成了一個24位Σ-Δ型ADC和一個8052微控制器內(nèi)核。內(nèi)部ADC還具有增益為128 PGA，具有差分模擬輸入和基準(zhǔn)輸入。它還包括 62K 字節(jié)的片上程序閃存和 4K 字節(jié)的片上數(shù)據(jù)閃存。下圖13和圖14中的曲線比較了ADuC847上的集成ADC與噪聲較低的獨(dú)立AD7799。兩個測試的條件相同：模擬輸入短路至2.5 V基準(zhǔn)電壓源，增益為64。正如我們所期望的，AD7799具有較低的噪聲，因此適合高端應(yīng)用，而ADuC847則適用于要求較低的電子秤。

圖 13.AD7799噪聲性能：增益 = 64，更新速率 = 4.17 Hz，基準(zhǔn)電壓源 = 5 V，輸入短路至基準(zhǔn)電壓源。RMS 噪聲 = 3.2526 LSB，p-p 分辨率 = 19.576 位。

圖 14.ADuC847噪聲性能：增益 = 64，更新速率 = 5.35 Hz，基準(zhǔn)電壓源 = 2.5 V，輸入短路至基準(zhǔn)電壓源。RMS 噪聲 = 74.65 LSB，峰峰值分辨率 = 15 位，數(shù)據(jù)手冊規(guī)格 = 15 位。

電子秤設(shè)計注意事項

比率式設(shè)計

為了獲得最佳性能，參考設(shè)計中采用了比率測量技術(shù)（用于電橋激勵和ADC基準(zhǔn)的相同基準(zhǔn)源），如圖3所示。稱重傳感器的輸出精度由電橋的激勵電壓決定。電橋輸出與激勵電壓成正比，激勵電壓的任何漂移都會在輸出電壓中產(chǎn)生相應(yīng)的漂移。通過使用與電橋激勵電壓成比例的電壓作為ADC的參考源，如果實際電橋激勵電壓發(fā)生變化，測量精度不會下降。這種比例連接消除了激勵源中漂移和極低頻噪聲的影響。為了濾除來自ADC輸入端稱重傳感器的噪聲，可以使用簡單的一階RC濾波器。

布局

布局對于使用高精度Σ-Δ型ADC獲得最佳噪聲性能至關(guān)重要。最重要的兩個方面是接地和電源去耦。在此參考設(shè)計中，接地層分為模擬和數(shù)字部分。AD7799位于這兩個接地層之間的分離層上方。一個起點用于連接AD7799正下方的接地層。AD7799的GND引腳應(yīng)連接到模擬地。在此設(shè)計中，僅使用一個電源，但 AVDD 和 DVDD 端子之間有一個鐵氧體磁珠。鐵氧體磁珠在低頻時具有低阻抗，在高頻下具有高阻抗。因此，鐵氧體磁珠可以阻擋DVDD中的高頻噪聲。選擇鐵氧體磁珠時，應(yīng)研究其阻抗與頻率的關(guān)系特性。在本設(shè)計中，選擇600歐姆表面貼裝封裝的鐵氧體磁珠。最后，使用 0.1μF 和 10μF 電容器對 AVDD 和 DVDD 電源進(jìn)行去耦;它們應(yīng)盡可能靠近設(shè)備放置。

硬件和軟件

AD7799/ADuC847電子秤參考設(shè)計也可以使用RS-232接口連接到任何PC。這允許用戶在評估系統(tǒng)時保存和處理數(shù)據(jù)。

審核編輯：郭婷