CN0102 利用內(nèi)置PGA的24位Σ-Δ型ADC AD7190實(shí)現(xiàn)精密電子秤設(shè)計

CN0102 注意：本文的所有噪聲規(guī)格均相對于PGA增益為128而言。 AD7190是一款高精度ADC，適用于高端電子秤。其它合適的ADC有AD7192和AD7191。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)速率均為4.7 Hz時，AD7192的均方根噪聲為11 nV，AD7190的均方根噪聲為8.5 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。 AD7799適用于中端電子秤。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為4.17 Hz時，其均方根噪聲為27 nV。 AD7798、AD7781和AD7780均適用于低端電子秤。AD7798與AD7799的功能組合相同。在4.17 Hz時，其均方根噪聲為40 nV。AD7780和AD7781均有一路差分模擬輸入，并且引腳可編程，輸出數(shù)據(jù)速率可以為10 Hz和17.6 Hz，增益可設(shè)置為1或128。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為10 Hz時，均方根噪聲為44 nV。 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，請參考教程MT-031——“實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團(tuán)”，以及 教程MT-101——“去耦技術(shù)”。 除外部稱重傳感器和PC外，圖1所示電路均包含在AD7190評估板(EVAL-AD7190EBZ)上。 與評估板的接口通過標(biāo)準(zhǔn)USB連接器J1進(jìn)行。J1用于將評估板連接到PC的USB端口。AD7190評估板附帶標(biāo)準(zhǔn)USB連接器線纜，通過該線纜可將評估板與PC的USB端口連接起來。評估板通過USB連接器供電，因此無需外部電源，但使用外部電源更好。外部電源可通過J2連接。 設(shè)備要求 除外部稱重傳感器外，只需要EVAL-AD7190EBZ評估板和運(yùn)行Windows? 2000、Windows XP或Windows Vista（32位）的PC。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估板，客戶須向制造商購買。 開始使用 EVAL-AD7190EBZ評估板附帶一片CD，其中包含用來控制AD7190的軟件。軟件可安裝在標(biāo)準(zhǔn)PC上。軟件通過評估板附送的USB線纜與AD7190通信。利用該軟件，用戶可以從AD7190讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可從AD7190讀取并顯示出來，或加以存儲以供日后分析。 請先使用AD7190評估板附送的CD安裝AD7190評估板軟件，再將評估板連接到PC。有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱用戶指南UG-222。 功能框圖 圖1所示為測試設(shè)置的基本功能框圖。 設(shè)置與測試 關(guān)于AD7190評估板設(shè)置和測試的完整說明，請參閱用戶指南UG-222。 安裝軟件之后，按照用戶指南UG-222的表1所示設(shè)置適當(dāng)?shù)逆溌罚ㄌ€），配置AD7190評估板以使用外部稱重傳感器。務(wù)必先設(shè)置鏈路，再給評估板通電。 稱重傳感器連接到評估板接頭J4。電子秤演示的操作參見UG-222。 AD7190提供集成式電子秤解決方案，可以直接與稱重傳感器接口。只需在模擬輸入端采用一些濾波器，在基準(zhǔn)電壓引腳上配置一些電容等外部元件，以滿足電磁屏蔽(EMC)要求。來自稱重傳感器的低電平信號由AD7190的內(nèi)置PGA放大。該P(yáng)GA經(jīng)過編程，以128的增益工作。AD7190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)最佳系統(tǒng)性能，該測試設(shè)置使用一個6線式稱重傳感器。除激勵、接地和2個輸出連接外，6線式稱重傳感器還有2個檢測引腳。這些檢測引腳分別與惠斯登電橋的高端和低端相連。因此，盡管線路電阻會引起壓降，但仍能精確測量該電橋上產(chǎn)生的電壓。此外，AD7190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AD7190基準(zhǔn)電壓輸入端相連，可構(gòu)成一個比率式配置，既不受電源激勵電壓的低頻變化影響，也無需精密基準(zhǔn)電壓源。如果采用4線式稱重傳感器，則不存在檢測引腳，ADC基準(zhǔn)電壓引腳將與激勵電壓和地相連。這種配置中，由于存在線路電阻，激勵電壓與SENSE+之間將有壓降，因此系統(tǒng)不是完全比率式。另外，低端上也會有線路電阻引起的壓降。 圖2. 采用AD7190的電子秤系統(tǒng)設(shè)置? AD7190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。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。 圖3顯示增益等于128時，AD7190在不同輸出數(shù)據(jù)速率下的均方根噪聲。此圖顯示，均方根噪聲隨著輸出數(shù)據(jù)速率增加而增加。不過，在整個輸出數(shù)據(jù)速率范圍內(nèi)，該器件均能保持良好的噪聲性能。 圖3. AD7190在不同輸出數(shù)據(jù)速率下的均方根噪聲? 如果使用靈敏度為2 mV/V的2 kg稱重傳感器，則激勵電壓為5 V時，來自稱重傳感器的滿量程信號為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來消除或抵消TARE。如果AD7190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，其模擬輸入范圍等于±40 mV。相對于稱重傳感器的滿量程信號(10 mV)而言，AD7190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使ADC前端過載。 當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為4.7 Hz時，AD7190的均方根噪聲為8.5 nV。 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。 因此，以克(g)為單位表示的分辨率等于 無噪聲分辨率等于 在實(shí)際操作中，稱重傳感器本身會引入一定的噪聲。AD7190的漂移也會導(dǎo)致稱重傳感器發(fā)生一定的時間和溫度漂移。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軟件評估電子秤系統(tǒng)的性能。圖4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)果所測得的輸出性能。軟件計算出的系統(tǒng)噪聲為12 nV（均方根值）和88 nV（峰峰值），相當(dāng)于113,600無噪聲采樣數(shù)或16.8位無噪聲碼分辨率。 圖4. 500次采樣所測得的輸出碼，顯示出噪聲的影響 ? 圖5. 500次采樣所測得的輸出（單位為克），顯示出噪聲的影響? 圖5顯示重量方面的性能。相對于500個碼，輸出的峰峰值變化量為0.02克。因此，該電子秤系統(tǒng)的精度達(dá)到0.02克。 上圖所示為連接負(fù)荷傳感器之后，從AD7190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)行均值計算會進(jìn)一步提高無噪聲采樣數(shù)，但數(shù)據(jù)速率會降低。 CN0102 利用內(nèi)置PGA的24位Σ-Δ型ADC AD7190實(shí)現(xiàn)精密電子秤設(shè)計 本電路為電子秤系統(tǒng)，采用超低噪聲、低漂移、內(nèi)置PGA的24位Σ-Δ型ADC AD7190。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。 在4.7 Hz至4.8 kHz的完整輸出數(shù)據(jù)速率范圍內(nèi)，AD7190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)，以及料斗秤等較高速電子秤系統(tǒng)。 圖1. 采用AD7190的電子秤系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示所有連接） ? cn0102 This circuit is a weigh scale system, which uses the AD7190, an ultralow noise, low drift, 24-bit Σ-Δ CN0102 | circuit note and reference circuit info 利用內(nèi)置PGA的24位Σ-Δ型ADC AD7190實(shí)現(xiàn)精密電子秤設(shè)計 | Analog Devices

• 24位DAC，可處理最高4.8kHz的快速數(shù)據(jù)速率
• 集成PGA允許使用多種傳感器
• 高精度壓力應(yīng)用

(analog)