CN0107 利用內(nèi)置PGA的24位Σ-Δ型ADC AD7780實(shí)現(xiàn)電子秤設(shè)計(jì)

CN0107 注意：本文的噪聲規(guī)格相對(duì)于PGA增益為128而言。 AD7780是一款低噪聲、低功耗ADC，適合電子秤設(shè)計(jì)。其它合適的ADC有AD7798和AD7781。AD7781與AD7780的功能組合相同，但前者為20位ADC。AD7798的輸出數(shù)據(jù)速率選擇范圍更寬。在4.17 Hz時(shí)，其均方根噪聲為40 nV。 AD7799適用于中端電子秤。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為4.17 Hz時(shí)，其均方根噪聲為27 nV。 AD7190、AD7192和AD7191適用于精密電子秤設(shè)計(jì)。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率設(shè)置為4.7 Hz時(shí)，AD7190的均方根噪聲為8.5 nV。它也具有較寬的輸出數(shù)據(jù)速率范圍。它的工作速率最高可達(dá)4.8 kHz，同時(shí)仍能保持良好的性能。AD7192與AD7190引腳兼容，但前者的均方根噪聲略高。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為4.7 Hz時(shí)，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(shù)據(jù)速率和四種增益設(shè)置。由于它具有引腳可編程能力，并且功能較少，因此易于使用。AD7191的均方根噪聲與AD7192相同。 與其它高精度電路一樣，必須采用適當(dāng)?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g(shù)。欲了解更多信息，請(qǐng)參考教程MT-031——“實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開(kāi)AGND和DGND的謎團(tuán)” ，以及 教程MT-101——“去耦技術(shù)”。 有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計(jì)支持文件包，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)以下網(wǎng)址：http://www.analog.com/CN0107-DesignSupport. 除外部稱重傳感器和PC外，圖1所示電路均包含在AD7780評(píng)估板(EVAL-AD7780EBZ)上。 與評(píng)估板的接口通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)USB連接器J1進(jìn)行。J1用于將評(píng)估板連接到PC的USB端口。AD7780評(píng)估板附帶標(biāo)準(zhǔn)USB連接器線纜，通過(guò)該線纜可將評(píng)估板與PC的USB端口連接起來(lái)。評(píng)估板通過(guò)USB連接器供電，因此無(wú)需外部電源，但使用外部電源更好。外部電源可通過(guò)J2連接。 設(shè)備要求 除外部稱重傳感器外，只需要EVAL-AD7780EBZ評(píng)估板和運(yùn)行Windows 2000、Windows XP或Windows Vista（32位）的PC。本電路筆記所示結(jié)果是采用Tedea Huntleigh 505H-0002-F070稱重傳感器獲得的。該稱重傳感器未附帶評(píng)估板，客戶須向制造商購(gòu)買。 開(kāi)始使用 EVAL-AD7780EBZ評(píng)估板附帶一片CD，其中的軟件可安裝在標(biāo)準(zhǔn)PC上，用來(lái)控制AD7780。軟件通過(guò)評(píng)估板附送的USB線纜與AD7780通信。利用該軟件，用戶可以從AD7780讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可從AD7780讀取并顯示出來(lái)，或加以存儲(chǔ)以供日后分析。 請(qǐng)先使用AD7780評(píng)估板附送的CD安裝AD7780評(píng)估板軟件，再將評(píng)估板連接到PC。詳情參見(jiàn)UG-078。 功能框圖 圖1所示為測(cè)試設(shè)置的基本功能框圖。 設(shè)置與測(cè)試 關(guān)于AD7780評(píng)估板設(shè)置和測(cè)試的完整說(shuō)明，請(qǐng)參閱用戶指南UG-078。 安裝軟件之后，按照 AD7780的表1所示設(shè)置適當(dāng)?shù)逆溌罚ㄌ€），配置AD7780評(píng)估板以使用外部稱重傳感器。務(wù)必先設(shè)置鏈路，再給評(píng)估板通電。 稱重傳感器連接到評(píng)估板接頭J4。電子秤演示的操作參見(jiàn)UG-078。 AD7780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(lái)自稱重傳感器的低電平信號(hào)由AD7780的內(nèi)置PGA放大。該P(yáng)GA經(jīng)過(guò)編程，以128的增益工作。AD7780的轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)USB接口送至PC，由PC將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為重量。 圖2所示為實(shí)際的測(cè)試設(shè)置。為實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能，該測(cè)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(cè)引腳。這些檢測(cè)引腳分別與惠斯登電橋的高端和低端相連。因此，盡管線路電阻會(huì)引起壓降，但仍能精確測(cè)量該電橋上產(chǎn)生的電壓。此外，AD7780具有一路差分模擬輸入，接受差分基準(zhǔn)電壓。稱重傳感器差分SENSE線路與AD7780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。 圖2. 采用AD7780的電子秤系統(tǒng)設(shè)置 ? 如果采用4線式稱重傳感器，則不存在檢測(cè)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)不是完全比率式。另外，低端上也會(huì)有線路電阻引起的壓降。 AD7780具有單獨(dú)的模擬電源引腳和數(shù)字電源引腳。模擬電源和數(shù)字電源彼此獨(dú)立，因此AVDD和DVDD可以處于不同的電位。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(zhuǎn)換，從而可以簡(jiǎn)化ADC與微控制器之間的接口。3.3 V數(shù)字電源可利用ADP3303 穩(wěn)壓器產(chǎn)生。 有多種方法可以為該電子秤系統(tǒng)供電，例如：利用主電源總線，或者利用ADP3303 (3.3 V)。用5 V電壓激勵(lì)電子秤時(shí)，必須使用主電源總線。用3.3 V電壓激勵(lì)稱重傳感器時(shí)，可以使用主電源總線或ADP3303 (3.3 V)。ADP3303 (3.3 V)是一款低噪聲穩(wěn)壓器。此外，按照ADP3303 (3.3 V)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，穩(wěn)壓器輸出先經(jīng)過(guò)濾波，然后再給AD7780和稱重傳感器供電。由于電源或接地層上的任何噪聲都會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)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AD7780和稱重傳感器的電源。 如果使用靈敏度為2 mV/V的2 kg稱重傳感器，則激勵(lì)電壓為5 V時(shí)，來(lái)自稱重傳感器的滿量程信號(hào)為10 mV。稱重傳感器具有相關(guān)失調(diào)電壓或TARE。此TARE的幅度最高可達(dá)稱重傳感器滿量程輸出信號(hào)的50%。稱重傳感器還有最高可達(dá)滿量程±20%的增益誤差。一些客戶利用DAC來(lái)消除或抵消TARE。如果AD7780采用5 V基準(zhǔn)電壓，則增益設(shè)置為128時(shí)，其模擬輸入范圍等于±40 mV。相對(duì)于稱重傳感器的滿量程信號(hào)(10 mV)而言，AD7780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(guò)載。 當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為10 Hz時(shí)，AD7780的均方根噪聲為49 nV。無(wú)噪聲采樣數(shù)等于 其中系數(shù)6.6用來(lái)將均方根電壓轉(zhuǎn)換為峰峰值電壓。 因此，以克(g)為單位表示的分辨率等于 無(wú)噪聲分辨率等于 在實(shí)際操作中，稱重傳感器本身會(huì)引入一定的噪聲。AD7780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(guò)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3顯示將1 kg重物置于稱重傳感器上，并收集500次轉(zhuǎn)換結(jié)果所測(cè)得的輸出性能（使用5 V激勵(lì)電壓）。軟件計(jì)算的系統(tǒng)噪聲為50 nV（均方根值），相當(dāng)于30,300無(wú)噪聲采樣數(shù)或14.9位無(wú)噪聲碼分辨率。 圖3. 500次采樣所測(cè)得的輸出碼，體現(xiàn)出噪聲的影響 ? 圖4顯示重量方面的性能。相對(duì)于500個(gè)碼，輸出的峰峰值變化量為0.075克。因此，該電子秤系統(tǒng)的精度達(dá)到0.075克。 上圖所示為連接稱重傳感器之后，從AD7780回讀得到的實(shí)際（原始）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。 圖4. 500次采樣所測(cè)得的輸出（單位為千克），體現(xiàn)出噪聲的影響 ? 在后置濾波器中另外執(zhí)行均值計(jì)算會(huì)進(jìn)一步提高采樣數(shù)，但數(shù)據(jù)速率會(huì)降低。 CN0107 利用內(nèi)置PGA的24位Σ-Δ型ADC AD7780實(shí)現(xiàn)電子秤設(shè)計(jì) 本電路為采用 AD7780構(gòu)建的電子秤系統(tǒng)。AD7780是一款引腳可編程、低功耗、低漂移24位Σ-Δ型ADC，內(nèi)置PGA，采用內(nèi)部時(shí)鐘。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(jiǎn)化電子秤設(shè)計(jì)。該器件的典型功耗僅為330 μA，適合所有低功耗或電池供電應(yīng)用。AD7780還提供省電模式，不執(zhí)行轉(zhuǎn)換時(shí)，用戶可以切斷對(duì)橋式傳感器的供電，并使該器件進(jìn)入省電模式，從而延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。 圖1. 采用AD7780的電子秤系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示所有連接） ? CN0107 本電路為采用 AD7780構(gòu)建的電子秤系統(tǒng)。AD7780是一款引腳可編程、低功耗、低漂移24位Σ-Δ型ADC，內(nèi)置PGA，采用內(nèi)部時(shí)鐘。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(jiǎn)化電子秤設(shè)計(jì)。 CN0107 | circuit note and reference circuit info 利用內(nèi)置PGA的24位Σ-Δ型ADC AD7780實(shí)現(xiàn)電子秤設(shè)計(jì) | Analog Devices

• 24位電子秤應(yīng)用電路
• 集成PGA可用于多種電子秤
• 低功耗、低成本
• 通常用于便攜式電子秤應(yīng)用

(analog)