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高性能低成本电子秤的参考设计

    电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。大多数电子秤是以1:3,000或1:10,000的分辨率输出最终的称重值，使用12 bit~14 bit的模数转换器很容易慢足要求。然而，高精密检测的电子秤表明要达到这种分辨率，ADC的精度需要接近于20 bit。本文将讨论一些电子秤系统的技术指标以及设计和构建一个电子秤系统所需考虑的问题。设计中主要考虑峰峰值（PP）噪声分辨率、ADC的动态范围、增益漂移和滤波。我们使用作为评估板的电子秤参考设计，将来自实际称重传感器（又称作负荷传感器）的测量结果与来自稳定参考电压源的输入进行对比。 

   称重传感器
   最普遍的电子秤应用桥式称重传感器实现，称重传感器的输出电压直接与放在其上的重量成比例。图1示出了典型的称重电桥－一个具有至少两个可变桥臂的4电阻结构的电桥，所称重量引起的电阻变化可产生一个叠加在2.5 V（电源电压的一半）共模电压之上的差分电压。典型的电桥通常使用300 的电阻器。

   称重传感器本身具有单调性，其主要参数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。

   灵敏度
   称重传感器的电灵敏度为满负荷输出电压与激励电压的比值，典型值是2mV/V。当使用2 mV/V灵敏度和5 V激励电压的传感器时，其满度输出电压为10 mV。通常，为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围，应当仅使用满度范围的三分之二。因此满度输出电压应当大约为6 mV。当电子秤应用于工业环境时，在6 mV满度范围内测量微小的信号变化并非易事。

   总误差
   总误差是指输出误差和额定误差的比值。典型电子秤的总误差指标大约是0.02%，这一技术指标相当重要，它限制了使用理想信号调节电路所能达到的精确度，决定了ADC分辨率的选择以及放大电路和滤波器的设计。

   漂移
   称重传感器也产生与时间相关的漂移。图2示出24小时范围内测量的实际称重传感器漂移特性。测量结果表明（使用24 bit ADC测量的bit变化数量）具有125 LSB或大约7.5 ppm的总体漂移。

   电子秤系统
   一个电子秤系统最重要的参数是内部分辨率、ADC动态范围、无噪声分辨率、更新速率、系统增益和增益误差漂移。该系统必须设计成比率工作方式，所以它与电源电压波动无关。

   内部分辨率
   用户所见的典型电子秤系统（图3）的分辨率范围最低为1：3,000，最高达1:10,000。LCD显示器上能看到的这种分辨率通常称作外部分辨率。电子秤系统的内部分辨率必须至少应高于外部分辨率一个数量级。实际上，某些标准规定系统的内部分辨率应该优于外部分辨率的许多倍。 

   ADC动态范围
   在使用标准高分辨率ADC的电子秤应用中，不太可能用ADC的整个满度范围。在图1所示的例子中，称重传感器的电源电压是5V，满度输出是10 mV，其线性范围是6 mV。当模拟前端使用增益为128的电路时，ADC输入的满度将是768 mV。如果使用标准的2.5 V参考电压，则仅用了ADC动态范围的30%。

   如果电子秤的内部分辨率需要1:200,000的精度以达到770 mV的满度范围，ADC需要3倍~4倍的分辨率。如果内部分辨率是1:800,000，那么ADC要求达19 bit~20 bit的精度。

   增益和失调漂移
   工业电子秤系统通常工作在50 C的条件下。设计师们必须考虑在超过室温的条件下系统的精度。因为随温度变化的增益漂移可能是误差的主要来源。因此，设计电子秤时选择一款具有低增益漂移的ADC非常重要。

   但失调漂移并不是主要的考虑因素。大多数∑-△ADC都具有内部斩波模式，使得∑-△ADC 具有较低的失调漂移和较好的抗1/f噪声干扰能力，这对于设计师很重要。

   无噪声分辨率
   当人们阅读产品技术资料时，一个普遍性的错误是没有注意到将噪声定义为有效值（RMS）噪声还是峰峰值(p-p）噪声。在电子秤应用中，最重要的技术指标是p-p噪声，它决定了无噪声编码分辨率。 ADC的无噪声编码分辨率是指超过这个位（bit）数它就不能清楚分辨个别编码的分辨率，由于存在有效输入噪声，所有ADC都有这种噪声。这种噪声可以用RMS值表示，通常是以LSB为单位的一个数值。将RMS噪声乘以6.6(包含了分布中99.9%的值)便可转换成等效的峰峰值噪声。

   更新速率
   系统的无噪声分辨率取决于ADC的更新速率。在电子秤系统中，设计师需要权衡使用最低的更新速率，在最低更新速率时ADC能够以刷新LCD显示器所需的输出数据速率进行采样。对于高端电子秤系统，一般使用10 Hz的ADC更新速率。

   电子秤参考设计

   选择最佳的ADC
   电子秤设计最佳的ADC体系结构是∑-△ADC，这种体系结构在低更新速率时具有低噪声和高线性度，其噪声整形和数字滤波功能集成在片内。首先集成高频率调制器整形量化噪声以便把噪声移到调制器频率的一半处，数字滤波器只通过低频信号。

   ADC还应包含一个低噪声可编程增益放大器（PGA），它具有很高的内部增益以放大来自称重传感器的微小输出信号。与需要外部增益电阻器的分立放大器相比，集成的PGA经过优化能保证很低的温度漂移。在由分立元件构成的配置中，任何由温度漂移引起的误差都会通过增益级电路被放大。适用于电子秤应用的AD7799具有优良的低噪声指标（27 nV/√Hz）和最大增益为128 mV/mV的前端增益级，称重传感器可以与这类ADC直接相连。

   ADI公司设计的电子秤系统评估板的参考设计包含一块AD7799芯片，由ADuC847微控制器控制。ADuC847除了为AD7799提供数字接口和实现数据后处理外，自身也包含一个24 bit的高性能∑-△ADC。这允许用户对包含AD7799 ADC的系统和使用ADuC847的完整系统自身包含的ADC之间的测试结果进行比较。

   提高ADC输出精确度
   低带宽高分辨率的AD7799具有24 bit分辨率。然而，正如上面所述，其有效bit数被噪声所限制，取决于所使用的输出字速率和增益设置。为了增加有效分辨率并且尽可能去除噪声，ADuC847微控制器可编程采用一种均值算法以得到更好的性能。理想情况下，对于这种恒定的直流（DC）模拟输入信号其输出码应该是常数。但是由于噪声的存在，将在模拟输入常数值附近出现编码扩展。这种噪声包括ADC内的热噪声和模数转换过程本身产生的量化噪声。一般情况下编码扩展服从高斯分布。
均值滤波器是一种减少随机白噪声同时可保持最敏捷阶跃响应的好方法。这里所讨论的设计软件使用均值移动算法。

   均值移动滤波器将来自输入信号许多点的值进行平均以产生每个点的输出信号。滤波器输入直接取自ADC。在对最多M个数据取平均的操作中，其中最小数据和最大数据（外部数据）都从数据窗口中被删除。对剩下的M-2个数据用下面的公式求平均值：

   采用均值移动方法可使输出数据速率与输入数据速率保持相同，这是一级平均。为了提高更新速率，通常使用二级平均以减小波形偏差。在这种情况下，第一级的输出通过第二级再取平均以进一步提高输出结果的精度。

   减小称重变化的响应时间

   基本的算法可以提高电子秤的噪声性能，但是当其称重发生变化时会出现问题。当称重变化后，称重传感器的输出应在非常短的时间内达到另一个平衡状态。根据这种算法，滤波器的输出仅在滤波器更新M次后才能得到最准确的结果。响应时间受到均值点的数量限制。因此需要一种专门算法来判断称重的变化。图4示这出种专门算法的基本流程图。
首先，采用两步判断是为了避免当称重变化时产生毛刺信号。当两个来自ADC的相邻数据与滤波器的输出之差都超过阈值时，可以认为发生了称重变化。当称重变化时，第二级的全部M个数据都用相同的新数据填充以便非常快速地跳过称重传感器的变迁周期。另外，称重传感器自身也有信号建立时间。为了对此进行补偿，在检测到称重变化后，均值移动窗口中的所有数据都将用最新的ADC数据更新，以便接下来的6个连续的均值周期可跳过数据恢复时间。在6个更新周期后，平均再重新开始。

   消除输出结果的闪烁
   对于1:50,00和1:10,000的标准范围，调整电子秤可显示0.5 g或1 g的最小刻度。当称重是在两个相邻的显示称重值之间时，显示值将在这两个称重值之间发生闪烁。为了保持稳定的显示值，可使用一种特殊的算法。

   在每个显示周期内，软件决定本周期内显示的称重值是否与前一个周期内的值相等。如果相等，LCD输出将不变，并且处理过程继续进入下一个周期。如果不等，将计算这两个周期的内部编码之间的差值。如果差值小于阈值，则认为此变化是由噪声引起的，所以依然显示旧的称重值。如果差值大于阈值，则更新显示值。

   ADuC847和AD7799的性能比较

   对于低成本的电子秤设计，带有片内ADC的ADuC847可以提供一种单芯片解决方案。ADuC847集成了一个24 bit的∑-△ADC和8052微控制器内核。其内部的ADC含有增益为128差分模拟输入和参考电压源输入的可编程增益放大器（PGA）。ADuC847还包含62 K字节（byte）的片内程序闪存和4 K字节的片内数据闪存。在测试条件相同的情况下，对ADuC847片内集成的ADC与具有较低噪声单独的AD7799进行了比较，模拟输入端直接连到2.5V的参考电压源上并且使用的增益为64。正如我们所预期的一样，AD7799具有较低的噪声，因此它适用于高端应用，相反ADuC847适合于要求不太严格的电子秤。

   电子秤的设计考虑

   比率式测量方式
   在电子秤的参考设计中为了达到最佳性能采用了比率式测量方法（电桥的DC激励源和ADC的参考电压源使用同一个参考源）。称重传感器的输出精度由电桥的激励电压决定。由于电桥的输出直接与激励电压成比例，所以激励电压的任何漂移都会产生相应的输出电压漂移。由于比率式测量方法的输出电压既与电桥的激励电压成比例又与ADC的参考电压源成比例，这样即使实际的电桥激励电压变化也不会影响测量精度。这种比率式测量方式消除了激励源中的温度漂移和极低频率噪声对输出精确度的影响。为了滤除ADC输入端来自称重传感器的噪声，通常使用一个简单的一阶RC滤波器。
  
    PCB布线
   印刷电路板(PCB)布线对于使用高精度∑-△ADC以达到最佳噪声性能非常关键。最重要的是接地和电源退耦。在本参考设计中，接地面分为模拟部分和数字部分。AD7799位于这两个接地面之间的上方。在AD7799的正下面使用一个起始点连接两个接地面。AD7799的GND引脚应与模拟地相接。在本设计中，仅使用一个电源供电，但是在AVDD和DVDD引脚之间接一个铁氧体磁珠。铁氧体磁珠在低频处具有低阻抗，在高频处具有高阻抗的特性。因此，铁氧体磁珠可抑制DVDD中的高频噪声。当选用铁氧体磁珠时，应当研究其阻抗频率特性。本设计选用600 表面贴装的铁氧体磁珠。最后，通常使用0.1 F和10 F的电容器对AVDD和DVDD电源进行去耦；这两个电容器都应放在尽可靠近AD7799的地方。