CN0155 利用內(nèi)置PGA和交流激勵(lì)的24位Σ-Δ型ADC AD7195實(shí)現(xiàn)精密電子秤設(shè)計(jì)

CN0155 有關(guān)其他無(wú)需交流激勵(lì)的電子秤電路，請(qǐng)參加電路筆記CN-0102、CN-0107、CN-0108、CN-0118和CN-0119。 除外部稱(chēng)重傳感器和PC外，圖1所示電路均包含在AD7195評(píng)估板(EVAL-AD7195-EBZ)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。AD7195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)。AD7195評(píng)估板可利用9 V電池B1供電，或利用J31上連接的外部9 V直流電源供電。9 V電壓通過(guò)板載高精度、低功耗5 V輸出穩(wěn)壓器ADP3303-5降壓到5 V。利用鏈路J1可將此5 V電壓用作AD7195的電源。要使用此選項(xiàng)，應(yīng)將鏈路J1放在5 VBAT位置。 設(shè)備要求 除外部稱(chēng)重傳感器外，只需要EVAL-AD7195-EBZ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(chēng)重傳感器獲得的。該稱(chēng)重傳感器未附帶評(píng)估板，客戶須向制造商購(gòu)買(mǎi)。 開(kāi)始使用 EVAL-AD7195-EBZ評(píng)估板附帶光盤(pán)，其中的軟件可安裝在標(biāo)準(zhǔn)PC上，用來(lái)控制AD7195。軟件通過(guò)評(píng)估板附送的USB線纜與AD7195通信。通過(guò)軟件可將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從AD7195讀取并顯示出來(lái)，或加以存儲(chǔ)以供日后分析。 應(yīng)先使用AD7195評(píng)估板附送的光盤(pán)安裝AD7195評(píng)估板軟件，再將評(píng)估板連接到PC。有關(guān)完整詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 AD7195評(píng)估板用戶指南（參見(jiàn)CN0155設(shè)計(jì)支持包：http://www.analog.com/CN0155-DesignSupport）。 功能框圖 評(píng)估板用戶指南給出了測(cè)試設(shè)置的功能框圖（參見(jiàn)CN0155 設(shè)計(jì)支持包：http://www.analog.com/CN0155-DesignSupport）。 設(shè)置與測(cè)試 關(guān)于AD7195評(píng)估板設(shè)置與測(cè)試的完整說(shuō)明，請(qǐng)參閱AD7195評(píng)估板用戶指南（參見(jiàn)CN0155 設(shè)計(jì)支持包：http://www.analog.com/CN0155-DesignSupport）。 安裝軟件之后，應(yīng)按照AD7195評(píng)估板用戶指南設(shè)置適當(dāng)?shù)逆溌罚ㄌ€），配置AD7195評(píng)估板以使用外部稱(chēng)重傳感器（參見(jiàn)CN0155 設(shè)計(jì)支持包：http://www.analog.com/CN0155-DesignSupport）。務(wù)必先設(shè)置鏈路，再給評(píng)估板通電。 稱(chēng)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)AD7195評(píng)估板用戶指南（參見(jiàn)CN0155 設(shè)計(jì)支持包：http://www.analog.com/CN0155-DesignSupport）。 利用交流激勵(lì)，即可使用外部MOSFET來(lái)切換稱(chēng)重傳感器的激勵(lì)電壓極性。然后對(duì)相鄰值求平均值，以消除直流感應(yīng)偏差。AD7195包含內(nèi)部邏輯來(lái)控制外部MOSFET的開(kāi)關(guān)。來(lái)自AD7195的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)精確定時(shí)，非重疊，可確保在切換橋式驅(qū)動(dòng)電壓的極性時(shí)不會(huì)發(fā)生短路。上拉和下拉電阻1 MΩ連接到ACX2和ACX2，防止上電時(shí)短路。 AD7195提供一種集成式交流激勵(lì)稱(chēng)重傳感器解決方案。AD7195可接受反向基準(zhǔn)電壓，當(dāng)稱(chēng)重傳感器的激勵(lì)電壓反向時(shí)，就需要這種特性。AD7195將交流激勵(lì)與轉(zhuǎn)換保持同步，然后求平均值。只需用到很少的外部元件。除了MOSFET晶體管外，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(chēng)重傳感器的低電平信號(hào)由AD7195的內(nèi)置PGA放大。該P(yáng)GA經(jīng)過(guò)編程，以128的增益工作。AD7195的轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)USB接口送至PC。使用Labview軟件可將轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換為重量并顯示。 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(chēng)重傳感器。除激勵(lì)、接地和2個(gè)輸出連接外，6線式稱(chēng)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，AD7195具有差分模擬輸入，接受差分基準(zhǔn)電壓。稱(chēng)重傳感器差分SENSE線路與AD7195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，也無(wú)需精密基準(zhǔn)電壓源。如果采用4線式稱(chēng)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)引腳EXC +和EXC -相連。這種配置中，由于存在線路電阻，EXC +/ EXC –引腳與SENSE+/SENSE-之間將有壓降，因此系統(tǒng)不是完全比率式。 圖2. 采用AD7195的電子秤系統(tǒng)設(shè)置 ? AD7195具有單獨(dú)的模擬電源引腳和數(shù)字電源引腳。模擬部分必須采用5 V電源供電。數(shù)字電源獨(dú)立于模擬電源，可以為2.7 V至5.25 V范圍內(nèi)的任意電壓供電。 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。 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)5 V低噪聲穩(wěn)壓器用來(lái)確保AD7195和稱(chēng)重傳感器獲得低噪聲電源。ADP3303 (5 V)是一款低噪聲調(diào)節(jié)器，用來(lái)產(chǎn)生5 V電源。虛線框內(nèi)顯示的濾波器網(wǎng)絡(luò)用來(lái)確保系統(tǒng)獲得低噪聲AVDD。此外，按照ADP3303 (5 V)數(shù)據(jù)手冊(cè)的建議，在調(diào)節(jié)器輸出端配有降噪電容。為優(yōu)化電磁屏蔽性能，調(diào)節(jié)器輸出先經(jīng)過(guò)濾波，然后再給AD7195和稱(chēng)重傳感器供電。3.3 V數(shù)字電源可利用ADP3303 (3.3 V)調(diào)節(jié)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(lái)噪聲，導(dǎo)致電路性能降低，因此必須用低噪聲調(diào)節(jié)器產(chǎn)生供給AD7195和稱(chēng)重傳感器的全部電源。 如果使用靈敏度為2 mV/V的2 kg稱(chēng)重傳感器，則激勵(lì)電壓為5 V時(shí)，來(lái)自稱(chēng)重傳感器的滿量程信號(hào)為10 mV。稱(chēng)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(chēng)重傳感器滿量程輸出信號(hào)的50%。稱(chēng)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AD7195采用5 V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(chēng)重傳感器的滿量程信號(hào)(10 mV)而言，AD7195的模擬輸入范圍較寬，這有利于確保稱(chēng)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)一階濾波器陷波設(shè)置值為4.7Hz時(shí)，AD7195的均方根噪聲為6 nV，峰峰值噪聲為40 nV。當(dāng)使用交流激勵(lì)時(shí)（選中sinc4濾波器），這相當(dāng)于1.17 Hz的輸出數(shù)據(jù)速率。無(wú)噪聲采樣數(shù)等于 在實(shí)際操作中，稱(chēng)重傳感器本身會(huì)引入一定的噪聲。圖3顯示將1 kg重物置于稱(chēng)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。軟件計(jì)算的系統(tǒng)噪聲為10nV（均方根值）和51nV（峰峰值），相當(dāng)于196,000無(wú)噪聲數(shù)或17.5位無(wú)噪聲分辨率（根據(jù)測(cè)得的峰峰值噪聲計(jì)算得出）。 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0.01克。因此，該電子秤系統(tǒng)的精度達(dá)到0.01克。 圖4. 500次采樣所測(cè)得的輸出（單位為克），體現(xiàn)出噪聲的影響 ? 上圖所示為連接稱(chēng)重傳感器之后，從AD7195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。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(wú)噪聲采樣數(shù)，但數(shù)據(jù)速率會(huì)降低。 與其它高精度電路一樣，必須采用適當(dāng)?shù)牟季?、接地和去耦技術(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)”。 CN0155 CN0155 利用內(nèi)置PGA和交流激勵(lì)的24位Σ-Δ型ADC AD7195實(shí)現(xiàn)精密電子秤設(shè)計(jì) 該電路為采用 AD7195構(gòu)建的交流激勵(lì)電子秤系統(tǒng)。AD7195是一款超低噪聲、低漂移24位Σ-Δ ADC，內(nèi)置PGA和驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)稱(chēng)重傳感器的交流激勵(lì)。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)。在4.7 Hz至4.8 kHz的完整輸出數(shù)據(jù)速率范圍內(nèi)，AD7195均能保持良好的性能，可用于以較低速度工作的電子秤系統(tǒng)，以及較高速電子秤系統(tǒng)。 圖1. 采用內(nèi)置交流激勵(lì)的AD7195的電子秤系統(tǒng)（簡(jiǎn)化原理圖，未顯示所有連接） ? CN0155 CN0155 | circuit note and reference circuit info 利用內(nèi)置PGA和交流激勵(lì)的24位Σ-Δ型ADC AD7195實(shí)現(xiàn)精密電子秤設(shè)計(jì) | Analog Devices 該電路為采用 AD7195構(gòu)建的交流激勵(lì)電

• 單電源供電的電子秤系統(tǒng)
• 通過(guò)AC激勵(lì)驅(qū)動(dòng)電橋
• 處理最高為4.8kHz的快速數(shù)據(jù)速率
• 集成PGA允許使用多種壓力傳感器
• 高精度壓力應(yīng)用

(analog)