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高性能低成本電子秤的參考設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間：2010.06.08 來(lái)源：滄州中泰衡器有限公司 閱讀次數(shù)：
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| 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。大多數(shù)電子秤是以1:3,000或1:10,000的分辨率輸出最終的稱重值，使用12 bit~14 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器很容易慢足要求。然而，高精密檢測(cè)的電子秤表明要達(dá)到這種分辨率，ADC的精度需要接近于20 bit。本文將討論一些電子秤系統(tǒng)的技術(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)際稱重傳感器（又稱作負(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)行對(duì)比。 稱重傳感器 最普遍的電子秤應(yīng)用橋式稱重傳感器實(shí)現(xiàn)，稱重傳感器的輸出電壓直接與放在其上的重量成比例。圖1示出了典型的稱重電橋－一個(gè)具有至少兩個(gè)可變橋臂的4電阻結(jié)構(gòu)的電橋，所稱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。典型的電橋通常使用300 的電阻器。 稱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 稱重傳感器的電靈敏度為滿負(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，為了使用稱重傳感器線性度最好的一段稱重范圍，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。當(dāng)電子秤應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境時(shí)，在6 mV滿度范圍內(nèi)測(cè)量微小的信號(hào)變化并非易事。 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%，這一技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)重要，它限制了使用理想信號(hào)調(diào)節(jié)電路所能達(dá)到的精確度，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)范圍內(nèi)測(cè)量的實(shí)際稱重傳感器漂移特性。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。 電子秤系統(tǒng) 一個(gè)電子秤系統(tǒng)最重要的參數(shù)是內(nèi)部分辨率、ADC動(dòng)態(tài)范圍、無(wú)噪聲分辨率、更新速率、系統(tǒng)增益和增益誤差漂移。該系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)成比率工作方式，所以它與電源電壓波動(dòng)無(wú)關(guān)。 內(nèi)部分辨率 用戶所見(jiàn)的典型電子秤系統(tǒng)（圖3）的分辨率范圍最低為1：3,000，最高達(dá)1:10,000。LCD顯示器上能看到的這種分辨率通常稱作外部分辨率。電子秤系統(tǒng)的內(nèi)部分辨率必須至少應(yīng)高于外部分辨率一個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)際上，某些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定系統(tǒng)的內(nèi)部分辨率應(yīng)該優(yōu)于外部分辨率的許多倍。 ADC動(dòng)態(tài)范圍 在使用標(biāo)準(zhǔn)高分辨率ADC的電子秤應(yīng)用中，不太可能用ADC的整個(gè)滿度范圍。在圖1所示的例子中，稱重傳感器的電源電壓是5V，滿度輸出是10 mV，其線性范圍是6 mV。當(dāng)模擬前端使用增益為128的電路時(shí)，ADC輸入的滿度將是768 mV。如果使用標(biāo)準(zhǔn)的2.5 V參考電壓，則僅用了ADC動(dòng)態(tài)范圍的30%。 如果電子秤的內(nèi)部分辨率需要1:200,000的精度以達(dá)到770 mV的滿度范圍，ADC需要3倍~4倍的分辨率。如果內(nèi)部分辨率是1:800,000，那么ADC要求達(dá)19 bit~20 bit的精度。 增益和失調(diào)漂移 工業(yè)電子秤系統(tǒng)通常工作在50 C的條件下。設(shè)計(jì)工程師們必須考慮在超過(guò)室溫的條件下系統(tǒng)的精度。因?yàn)殡S溫度變化的增益漂移可能是誤差的主要來(lái)源。因此，設(shè)計(jì)電子秤時(shí)選擇一款具有低增益漂移的ADC非常重要。 但失調(diào)漂移并不是主要的考慮因素。大多數(shù)∑-△ADC都具有內(nèi)部斬波模式，使得∑-△ADC 具有較低的失調(diào)漂移和較好的抗1/f噪聲干擾能力，這對(duì)于設(shè)計(jì)師很重要。 無(wú)噪聲分辨率 當(dāng)人們閱讀產(chǎn)品技術(shù)資料時(shí)，一個(gè)普遍性的錯(cuò)誤是沒(méi)有注意到將噪聲定義為有效值（RMS）噪聲還是峰峰值(p-p）噪聲。在電子秤應(yīng)用中，最重要的技術(shù)指標(biāo)是p-p噪聲，它決定了無(wú)噪聲編碼分辨率。 ADC的無(wú)噪聲編碼分辨率是指超過(guò)這個(gè)位（bit）數(shù)它就不能清楚分辨?zhèn)�別編碼的分辨率，由于存在有效輸入噪聲，所有ADC都有這種噪聲。這種噪聲可以用RMS值表示，通常是以LSB為單位的一個(gè)數(shù)值。將RMS噪聲乘以6.6(包含了分布中99.9%的值)便可轉(zhuǎn)換成等效的峰峰值噪聲。 更新速率 系統(tǒng)的無(wú)噪聲分辨率取決于ADC的更新速率。在電子秤系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)工程師需要權(quán)衡使用最低的更新速率，在最低更新速率時(shí)ADC能夠以刷新LCD顯示器所需的輸出數(shù)據(jù)速率進(jìn)行采樣。對(duì)于高端電子秤系統(tǒng)，一般使用10 Hz的ADC更新速率。 電子秤參考設(shè)計(jì) 選擇最佳的ADC 電子秤設(shè)計(jì)最佳的ADC體系結(jié)構(gòu)是∑-△ADC，這種體系結(jié)構(gòu)在低更新速率時(shí)具有低噪聲和高線性度，其噪聲整形和數(shù)字濾波功能集成在片內(nèi)。首先集成高頻率調(diào)制器整形量化噪聲以便把噪聲移到調(diào)制器頻率的一半處，數(shù)字濾波器只通過(guò)低頻信號(hào)。 ADC還應(yīng)包含一個(gè)低噪聲可編程增益放大器（PGA），它具有很高的內(nèi)部增益以放大來(lái)自稱重傳感器的微小輸出信號(hào)。與需要外部增益電阻器的分立放大器相比，集成的PGA經(jīng)過(guò)優(yōu)化能保證很低的溫度漂移。在由分立元件構(gòu)成的配置中，任何由溫度漂移引起的誤差都會(huì)通過(guò)增益級(jí)電路被放大。適用于電子秤應(yīng)用的AD7799具有優(yōu)良的低噪聲指標(biāo)（27 nV/√Hz）和最大增益為128 mV/mV的前端增益級(jí)，稱重傳感器可以與這類ADC直接相連。 ADI公司設(shè)計(jì)的電子秤系統(tǒng)評(píng)估板的參考設(shè)計(jì)包含一塊AD7799芯片，由ADuC847微控制器控制。ADuC847除了為AD7799提供數(shù)字接口和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)后處理外，自身也包含一個(gè)24 bit的高性能∑-△ADC。這允許用戶對(duì)包含AD7799 ADC的系統(tǒng)和使用ADuC847的完整系統(tǒng)自身包含的ADC之間的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。 提高ADC輸出精確度 低帶寬高分辨率的AD7799具有24 bit分辨率。然而，正如上面所述，其有效bit數(shù)被噪聲所限制，取決于所使用的輸出字速率和增益設(shè)置。為了增加有效分辨率并且盡可能去除噪聲，ADuC847微控制器可編程采用一種均值算法以得到更好的性能。理想情況下，對(duì)于這種恒定的直流（DC）模擬輸入信號(hào)其輸出碼應(yīng)該是常數(shù)。但是由于噪聲的存在，將在模擬輸入常數(shù)值附近出現(xiàn)編碼擴(kuò)展。這種噪聲包括ADC內(nèi)的熱噪聲和模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程本身產(chǎn)生的量化噪聲。一般情況下編碼擴(kuò)展服從高斯分布。 均值濾波器是一種減少隨機(jī)白噪聲同時(shí)可保持最敏捷階躍響應(yīng)的好方法。這里所討論的設(shè)計(jì)軟件使用均值移動(dòng)算法。 均值移動(dòng)濾波器將來(lái)自輸入信號(hào)許多點(diǎn)的值進(jìn)行平均以產(chǎn)生每個(gè)點(diǎn)的輸出信號(hào)。濾波器輸入直接取自ADC。在對(duì)最多M個(gè)數(shù)據(jù)取平均的操作中，其中最小數(shù)據(jù)和最大數(shù)據(jù)（外部數(shù)據(jù)）都從數(shù)據(jù)窗口中被刪除。對(duì)剩下的M-2個(gè)數(shù)據(jù)用下面的公式求平均值： 采用均值移動(dòng)方法可使輸出數(shù)據(jù)速率與輸入數(shù)據(jù)速率保持相同，這是一級(jí)平均。為了提高更新速率，通常使用二級(jí)平均以減小波形偏差。在這種情況下，第一級(jí)的輸出通過(guò)第二級(jí)再取平均以進(jìn)一步提高輸出結(jié)果的精度。 減小稱重變化的響應(yīng)時(shí)間 基本的算法可以提高電子秤的噪聲性能，但是當(dāng)其稱重發(fā)生變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。當(dāng)稱重變化后，稱重傳感器的輸出應(yīng)在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到另一個(gè)平衡狀態(tài)。根據(jù)這種算法，濾波器的輸出僅在濾波器更新M次后才能得到最準(zhǔn)確的結(jié)果。響應(yīng)時(shí)間受到均值點(diǎn)的數(shù)量限制。因此需要一種專門算法來(lái)判斷稱重的變化。圖4示這出種專門算法的基本流程圖。 首先，采用兩步判斷是為了避免當(dāng)稱重變化時(shí)產(chǎn)生毛刺信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)來(lái)自ADC的相鄰數(shù)據(jù)與濾波器的輸出之差都超過(guò)閾值時(shí)，可以認(rèn)為發(fā)生了稱重變化。當(dāng)稱重變化時(shí)，第二級(jí)的全部M個(gè)數(shù)據(jù)都用相同的新數(shù)據(jù)填充以便非�？焖俚靥^(guò)稱重傳感器的變遷周期。另外，稱重傳感器自身也有信號(hào)建立時(shí)間。為了對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，在檢測(cè)到稱重變化后，均值移動(dòng)窗口中的所有數(shù)據(jù)都將用最新的ADC數(shù)據(jù)更新，以便接下來(lái)的6個(gè)連續(xù)的均值周期可跳過(guò)數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)間。在6個(gè)更新周期后，平均再重新開(kāi)始。 消除輸出結(jié)果的閃爍 對(duì)于1:50,00和1:10,000的標(biāo)準(zhǔn)范圍，調(diào)整電子秤可顯示0.5 g或1 g的最小刻度。當(dāng)稱重是在兩個(gè)相鄰的顯示稱重值之間時(shí)，顯示值將在這兩個(gè)稱重值之間發(fā)生閃爍。為了保持穩(wěn)定的顯示值，可使用一種特殊的算法。 在每個(gè)顯示周期內(nèi)，軟件決定本周期內(nèi)顯示的稱重值是否與前一個(gè)周期內(nèi)的值相等。如果相等，LCD輸出將不變，并且處理過(guò)程繼續(xù)進(jìn)入下一個(gè)周期。如果不等，將計(jì)算這兩個(gè)周期的內(nèi)部編碼之間的差值。如果差值小于閾值，則認(rèn)為此變化是由噪聲引起的，所以依然顯示舊的稱重值。如果差值大于閾值，則更新顯示值。 ADuC847和AD7799的性能比較 對(duì)于低成本的電子秤設(shè)計(jì)，帶有片內(nèi)ADC的ADuC847可以提供一種單芯片解決方案。ADuC847集成了一個(gè)24 bit的∑-△ADC和8052微控制器內(nèi)核。其內(nèi)部的ADC含有增益為128差分模擬輸入和參考電壓源輸入的可編程增益放大器（PGA）。ADuC847還包含62 K字節(jié)（byte）的片內(nèi)程序閃存和4 K字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)閃存。在測(cè)試條件相同的情況下，對(duì)ADuC847片內(nèi)集成的ADC與具有較低噪聲單獨(dú)的AD7799進(jìn)行了比較，模擬輸入端直接連到2.5V的參考電壓源上并且使用的增益為64。正如我們所預(yù)期的一樣，AD7799具有較低的噪聲，因此它適用于高端應(yīng)用，相反ADuC847適合于要求不太嚴(yán)格的電子秤。 電子秤的設(shè)計(jì)考慮 比率式測(cè)量方式 在電子秤的參考設(shè)計(jì)中為了達(dá)到最佳性能采用了比率式測(cè)量方法（電橋的DC激勵(lì)源和ADC的參考電壓源使用同一個(gè)參考源）。稱重傳感器的輸出精度由電橋的激勵(lì)電壓決定。由于電橋的輸出直接與激勵(lì)電壓成比例，所以激勵(lì)電壓的任何漂移都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓漂移。由于比率式測(cè)量方法的輸出電壓既與電橋的激勵(lì)電壓成比例又與ADC的參考電壓源成比例，這樣即使實(shí)際的電橋激勵(lì)電壓變化也不會(huì)影響測(cè)量精度。這種比率式測(cè)量方式消除了激勵(lì)源中的溫度漂移和極低頻率噪聲對(duì)輸出精確度的影響。為了濾除ADC輸入端來(lái)自稱重傳感器的噪聲，通常使用一個(gè)簡(jiǎn)單的一階RC濾波器。 PCB布線 印刷電路板(PCB)布線對(duì)于使用高精度∑-△ADC以達(dá)到最佳噪聲性能非常關(guān)鍵。最重要的是接地和電源退耦。在本參考設(shè)計(jì)中，接地面分為模擬部分和數(shù)字部分。AD7799位于這兩個(gè)接地面之間的上方。在AD7799的正下面使用一個(gè)起始點(diǎn)連接兩個(gè)接地面。AD7799的GND引腳應(yīng)與模擬地相接。在本設(shè)計(jì)中，僅使用一個(gè)電源供電，但是在AVDD和DVDD引腳之間接一個(gè)鐵氧體磁珠。鐵氧體磁珠在低頻處具有低阻抗，在高頻處具有高阻抗的特性。因此，鐵氧體磁珠可抑制DVDD中的高頻噪聲。當(dāng)選用鐵氧體磁珠時(shí)，應(yīng)當(dāng)研究其阻抗頻率特性。本設(shè)計(jì)選用600 表面貼裝的鐵氧體磁珠。最后，通常使用0.1 F和10 F的電容器對(duì)AVDD和DVDD電源進(jìn)行去耦；這兩個(gè)電容器都應(yīng)放在盡可靠近AD7799的地方。 |
