高性能低成本電子秤的參考設(shè)計(jì)

電子秤向提高精度和降低成本方向發(fā)展的趨勢(shì)引起了對(duì)低成本高性能模擬信號(hào)處理器件需求的增加。這種需求范圍并不是很明顯：因?yàn)榇蠖鄶?shù)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，這里使用12 bit～14 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）很容易（顯然地）滿足要求。然而，高精密檢測(cè)的電子秤表明達(dá)到這種分辨率要求并不容易；實(shí)際上，這種情況下ADC的精度需要達(dá)到接近于20 bit。在本文中，我們將討論一些電子秤的系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)以及設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個(gè)電子秤系統(tǒng)所需考慮的問(wèn)題。設(shè)計(jì)中主要考慮的問(wèn)題是峰峰值（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(píng)估板的電子秤參考設(shè)計(jì)，將來(lái)自實(shí)際稱(chēng)重傳感器（又稱(chēng)作負(fù)荷傳感器）的測(cè)量結(jié)果與來(lái)自穩(wěn)定參考電壓源的輸入進(jìn)行了對(duì)比。

稱(chēng)重傳感器
最普遍的電子秤是使用橋式稱(chēng)重傳感器實(shí)現(xiàn)的，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；它是一個(gè)具有至少兩個(gè)可變橋臂的4電阻結(jié)構(gòu)的電電橋，其中由所稱(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。典型的電電橋通常使用300Ω的電阻器。

圖1. 稱(chēng)重傳感器的基本電路

稱(chēng)重傳感器本身具有單調(diào)性，其主要參數(shù)指標(biāo)是靈敏度、總誤差和溫度漂移。

靈敏度
稱(chēng)重傳感器的電靈敏度定義為滿負(fù)荷輸出電壓與激勵(lì)電壓的比值，典型值是2mV/V。當(dāng)使用2 mV/V靈敏度和5 V激勵(lì)電壓的傳感器時(shí)，其滿度輸出電壓為10 mV。通常，為了使用稱(chēng)重傳感器線性度最好的一段稱(chēng)重范圍，應(yīng)當(dāng)僅使用滿度范圍的三分之二。因此滿度輸出電壓應(yīng)當(dāng)大約為6 mV。這種情況下提出的挑戰(zhàn)是如何采用達(dá)到最高精度的方法在6 mV滿度范圍內(nèi)測(cè)量微小的信號(hào)變化——當(dāng)電子秤通常使用在工業(yè)環(huán)境時(shí)，這不是一件容易的事。

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(biāo)大約是0.02%。這是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)指標(biāo)，因?yàn)樗拗屏耸褂美硐胄盘?hào)調(diào)理電路所能達(dá)到的精確度。因此它決定了ADC分辨率的選擇以及放大電路和濾波器的設(shè)計(jì)。

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)(hr)范圍內(nèi)測(cè)量的實(shí)際稱(chēng)重傳感器漂移特性。在測(cè)量期間溫度基本保持恒定，所以沒(méi)有與溫度相關(guān)的漂移。測(cè)量結(jié)果表明（使用24 bit ADC測(cè)量的bit變化數(shù)量）具有125 LSB或大約7.5 ppm的總體漂移。