發(fā)布人：管理員
發(fā)布時間：2015-06-09
電子秤向進(jìn)步精度和降低成本方向開展的趨勢導(dǎo)致了對低成本、高功能模仿信號處置器材需求的添加。大多數(shù)電子秤是以1:3,000或1:10,000的分辯率輸出結(jié)尾的稱重值，運(yùn)用12bit~14 bit的模數(shù)變換器很簡略慢足需求?？墒牵呔軝z測的電子秤標(biāo)明要到達(dá)這種分辯率，ADC的精度需求接近于20 bit。這篇文章將評論一些電子秤體系的技術(shù)目標(biāo)以及描繪和構(gòu)建一個電子秤體系所需思考的疑問。描繪中首要思考峰峰值（PP）噪聲分辯率、ADC的動態(tài)規(guī)模、增益漂移和濾波。咱們運(yùn)用作為評價板的電子秤參閱描繪，將來自實(shí)踐稱重傳感器（又稱作負(fù)荷傳感器）的丈量成果與來自安穩(wěn)參閱電壓源的輸入進(jìn)行比照。
稱重傳感器
最遍及的電子秤運(yùn)用橋式稱重傳感器完成，稱重傳感器的輸出電壓直接與放在其上的重量成份額。圖1示出了典型的稱重電橋－一個具有至少兩個可變橋臂的4電阻布局的電橋，所稱重量導(dǎo)致的電阻改變可發(fā)作一個疊加在2.5 V（電源電壓的一半）共模電壓之上的差分電壓。典型的電橋一般運(yùn)用300 的電阻器。
稱重傳感器本身具有單調(diào)性，其首要參數(shù)目標(biāo)是靈敏度、總差錯和溫度漂移。
靈敏度
稱重傳感器的電靈敏度為滿負(fù)荷輸出電壓與鼓勵電壓的比值，典型值是2mV/V。當(dāng)運(yùn)用2 mV/V靈敏度和5 V鼓勵電壓的傳感器時，其滿度輸出電壓為10 mV。一般，為了運(yùn)用稱重傳感器線性度最佳的一段稱重規(guī)模，應(yīng)當(dāng)僅運(yùn)用滿度規(guī)模的三分之二。因而滿度輸出電壓應(yīng)當(dāng)大概為6 mV。當(dāng)電子秤運(yùn)用于工業(yè)環(huán)境時，在6 mV滿度規(guī)模內(nèi)丈量細(xì)小的信號改變并非易事。
總差錯
總差錯是指輸出差錯和額外差錯的比值。典型電子秤的總差錯目標(biāo)大概是0.02%，這一技術(shù)目標(biāo)適當(dāng)重要，它約束了運(yùn)用抱負(fù)信號調(diào)理電路所能到達(dá)的精確度，決議了ADC分辯率的挑選以及擴(kuò)大電路和濾波器的描繪。
漂移
稱重傳感器也發(fā)作與時刻有關(guān)的漂移。圖2示出24小時規(guī)模內(nèi)丈量的實(shí)踐稱重傳感器漂移特性。丈量成果標(biāo)明（運(yùn)用24 bit ADC丈量的bit改變數(shù)量）具有125 LSB或大概7.5 ppm的整體漂移。
電子秤體系
一個電子秤體系最重要的參數(shù)是內(nèi)有些辯率、ADC動態(tài)規(guī)模、無噪聲分辯率、更新速率、體系增益和增益差錯漂移。該體系有必要描繪成比率作業(yè)方法，所以它與電源電壓動搖無關(guān)。
內(nèi)有些辯率
用戶所見的典型電子秤體系（圖3）的分辯率規(guī)模最低為1：3,000，最高達(dá)1:10,000。LCD顯現(xiàn)器上能看到的這種分辯率一般稱作外有些辯率。電子秤體系的內(nèi)有些辯率有必要至少
應(yīng)高于外有些辯率一個數(shù)量級。實(shí)踐上，某些規(guī)范規(guī)則體系的內(nèi)有些辯率大概優(yōu)于外有些辯率的許多倍。
ADC動態(tài)規(guī)模
在運(yùn)用規(guī)范高分辯率ADC的電子秤運(yùn)用中，不太可能用ADC的整個滿度規(guī)模。在圖1所示的比如中，稱重傳感器的電源電壓是5V，滿度輸出是10 mV，其線性規(guī)模是6 mV。當(dāng)模仿前端運(yùn)用增益為128的電路時，ADC輸入的滿度將是768 mV。若是運(yùn)用規(guī)范的2.5 V參閱電壓，則僅用了ADC動態(tài)規(guī)模的30%。若是電子秤的內(nèi)有些辯率需求1:200,000的精度以到達(dá)770 mV的滿度規(guī)模，ADC需求3倍~4倍的分辯率。若是內(nèi)有些辯率是1:800,000，那么ADC需求達(dá)19 bit~20 bit的精度。增益和失調(diào)漂移工業(yè)電子秤體系一般作業(yè)在50 C的條件下。描繪工程師們有必要思考在超越室溫的條件下體系的精度。因?yàn)殡S溫度改變的增益漂移可能是差錯的首要來歷。因而，描繪電子秤時挑選一款具有低增益漂移的ADC十分重要。但失調(diào)漂移并不是首要的思考要素。大多數(shù)∑-△ADC都具有內(nèi)部斬波形式，使得∑-△ADC 具有較低的失調(diào)漂移和較好的抗1/f噪聲攪擾才干，這關(guān)于描繪師很重要。
無噪聲分辯率
當(dāng)大家閱覽商品技術(shù)資料時，一個遍及性的過錯是沒有注意到將噪聲界說為有用值（RMS）噪聲仍是峰峰值(p-p）噪聲。在電子秤運(yùn)用中，最重要的技術(shù)目標(biāo)是p-p噪聲，它決議了無噪聲編碼分辯率。 ADC的無噪聲編碼分辯率是指超越這個位（bit）數(shù)它就不能明白分辯單個編碼的分辯率，因?yàn)榇嬖谟杏幂斎朐肼?，一切ADC都有這種噪聲。這種噪聲能夠用RMS值表明，一般是以LSB為單位的一個數(shù)值。將RMS噪聲乘以6.6(包括了散布中99.9%的值)便可變換成等效的峰峰值噪聲。
更新速率
體系的無噪聲分辯率取決于ADC的更新速率。在電子秤體系中，描繪工程師需求權(quán)衡運(yùn)用最低的更新速率，在最低更新速率時ADC能夠以改寫LCD顯現(xiàn)器所需的輸出數(shù)據(jù)速率進(jìn)行采樣。關(guān)于高端電子秤體系，一般運(yùn)用10 Hz的ADC更新速率。
電子秤參閱描繪
挑選最佳的ADC
電子秤描繪最佳的ADC體系布局是∑-△ADC，這種體系布局在低更新速率時具有低噪聲和高線性度，其噪聲整形和數(shù)字濾波功用集成在片內(nèi)。首要集成高頻率調(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)字濾波器只經(jīng)過低頻信號。
ADC還應(yīng)包括一個低噪聲可編程增益擴(kuò)大器（PGA），它具有很高的內(nèi)部增益以擴(kuò)大來自稱重傳感器的細(xì)小輸出信號。與需求外部增益電阻器的分立擴(kuò)大器對比，集成的PGA經(jīng)過優(yōu)化能確保很低的溫度漂移。在由分立元件構(gòu)成的裝備中，任何由溫度漂移導(dǎo)致的差錯都會經(jīng)過增益級電路被擴(kuò)大。適用于電子秤運(yùn)用的AD7799具有優(yōu)秀的低噪聲目標(biāo)（27 nV/√Hz）和最大增益為128 mV/mV的前端增益級，稱重傳感器能夠與這類ADC直接相連。
ADI公司描繪的電子秤體系評價板的參閱描繪包括一塊AD7799芯片，由ADuC847微操控器操控。ADuC847除了為AD7799供給數(shù)字接口和完成數(shù)據(jù)后處置外，本身也包括一個24 bit的高功能∑-△ADC。這答運(yùn)用戶對包括AD7799 ADC的體系和運(yùn)用ADuC847的完好體系本身包括的ADC之間的測驗(yàn)成果進(jìn)行對比。
進(jìn)步ADC輸出精確度低帶寬高分辯率的AD7799具有24 bit分辯率?？墒?，正如上面所述，其有用bit數(shù)被噪聲所約束，取決于所運(yùn)用的輸出字速率和增益設(shè)置。為了添加有用分辯率而且盡可能去掉噪聲，ADuC847微操控器可編程選用一種均值算法以得到十分好的功能。抱負(fù)情況下，關(guān)于這種穩(wěn)定的直流（DC）模仿輸入信號其輸出碼大概是常數(shù)?？墒且?yàn)樵肼暤拇嬖?，將在模仿?/span>入常數(shù)值鄰近呈現(xiàn)編碼拓展。這種噪聲包括ADC內(nèi)的熱噪聲和模數(shù)變換進(jìn)程本身發(fā)作的量化噪聲。一般情況下編碼拓展遵守高斯散布。
均值濾波器是一種削減隨機(jī)白噪聲一起可堅持最靈敏階躍呼應(yīng)的好辦法。這里所評論的描繪軟件運(yùn)用均值移動算法。
均值移動濾波器將來自輸入信號許多點(diǎn)的值進(jìn)行均勻以發(fā)作每個點(diǎn)的輸出信號。濾波器輸入直接取自ADC。在對最多M個數(shù)據(jù)取均勻的操作中，其間最小數(shù)據(jù)和最大數(shù)據(jù)（外部數(shù)據(jù)）都從數(shù)據(jù)窗口中被刪去。對剩余的M-2個數(shù)據(jù)用下面的公式求均勻值：選用均值移動辦法可使輸出數(shù)據(jù)速率與輸入數(shù)據(jù)速率堅持相同，這是一級均勻。為了進(jìn)步更新速率，一般運(yùn)用二級均勻以減小波形誤差。在這種情況下，榜首級的輸出經(jīng)過第二級再取均勻以進(jìn)一步進(jìn)步輸出成果的精度。
減小稱重改變的呼應(yīng)時刻
根本的算法能夠進(jìn)步電子秤的噪聲功能，可是當(dāng)其稱重發(fā)作改變時會呈現(xiàn)疑問。當(dāng)稱重改變后，稱重傳感器的輸出應(yīng)在十分短的時刻內(nèi)到達(dá)另一個平衡狀況。依據(jù)這種算法，濾波器的輸出僅在濾波器更新M次后才干得到最精確的成果。呼應(yīng)時刻遭到均值點(diǎn)的數(shù)量約束。因而需求一種專門算法來判別稱重的改變。圖4示這出種專門算法的根本流程圖。
首要，選用兩步判別是為了防止當(dāng)稱重改變時發(fā)作毛刺信號。當(dāng)兩個來自ADC的相鄰數(shù)據(jù)與濾波器的輸出之差都超越閾值時，能夠以為發(fā)作了稱重改變。當(dāng)稱重改變時，第二級的全部M個數(shù)據(jù)都用相同的新數(shù)據(jù)填充以便十分疾速地越過稱重傳感器的變遷周期。別的，稱重傳感器本身也有信號樹立時刻。為了對此進(jìn)行抵償，在檢測到稱重改變后，均值移動窗口中的一切數(shù)據(jù)都將用最新的ADC數(shù)據(jù)更新，以便接下來的6個接連的均值周期可越過數(shù)據(jù)恢復(fù)時刻。在6個更新周期后，均勻再重新開始。
消除輸出成果的閃耀
關(guān)于1:50,00和1:10,000的規(guī)范規(guī)模，調(diào)整電子秤可顯現(xiàn)0.5 g或1 g的最小刻度。當(dāng)稱重是在兩個相鄰的顯現(xiàn)稱重值之間時，顯現(xiàn)值將在這兩個稱重值之間發(fā)作閃耀。為了堅持安穩(wěn)
的顯現(xiàn)值，可運(yùn)用一種特別的算法。
在每個顯現(xiàn)周期內(nèi)，軟件決議本周期內(nèi)顯現(xiàn)的稱重值是不是與前一個周期內(nèi)的值持平。若是持平，LCD輸出將不變，而且處置進(jìn)程持續(xù)進(jìn)入下一個周期。若是不等，將核算這兩個周期的內(nèi)部編碼之間的差值。若是差值小于閾值，則以為此改變是由噪聲導(dǎo)致的，所以仍然顯現(xiàn)舊的稱重值。若是差值大于閾值，則更新顯現(xiàn)值。
ADuC847和AD7799的功能對比關(guān)于低成本的電子秤描繪，帶有片內(nèi)ADC的ADuC847能夠供給一種單芯片解決方案。ADuC847集成了一個24 bit的∑-△ADC和8052微操控器內(nèi)核。其內(nèi)部的ADC富含增益為128差分模仿輸入和參閱電壓源輸入的可編程增益擴(kuò)大器（PGA）。ADuC847還包括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。在測驗(yàn)條件相同的情況下，對ADuC847片內(nèi)集成的ADC與具有較低噪聲獨(dú)自的AD7799進(jìn)行了對比，模仿輸入端直接連到2.5V的參閱電壓源上而且運(yùn)用的增益為64。正如咱們所預(yù)期的相同，AD7799具有較低的噪聲，因而它適用于高端運(yùn)用，相反ADuC847適合于需求不太嚴(yán)厲的電子秤。
電子秤的描繪思考
比率式丈量方法
在電子秤的參閱描繪中為了到達(dá)最佳功能選用了比率式丈量辦法（電橋的DC鼓勵源和ADC的參閱電壓源運(yùn)用同一個參閱源）。稱重傳感器的輸出精度由電橋的鼓勵電壓決議。因?yàn)殡?/span>橋的輸出直接與鼓勵電壓成份額，所以鼓勵電壓的任何漂移都會發(fā)作相應(yīng)的輸出電壓漂移。因?yàn)楸嚷适秸闪哭k法的輸出電壓既與電橋的鼓勵電壓成份額又與ADC的參閱電壓源成份，這樣即便實(shí)踐的電橋鼓勵電壓改變也不會影響丈量精度。這種比率式丈量方法消除了鼓勵源中的溫度漂移和極低頻率噪聲對輸出精確度的影響。為了濾除ADC輸入端來自稱重傳感器的噪聲，一般運(yùn)用一個簡略的一階RC濾波器。
PCB布線
打印電路板(PCB)布線關(guān)于運(yùn)用高精度∑-△ADC以到達(dá)最佳噪聲功能十分要害。最重要的是接地和電源退耦。在本參閱描繪中，接地上分為模仿有些和數(shù)字有些。AD7799坐落這兩個接地上之間的上方。在AD7799的正下面運(yùn)用一個起始點(diǎn)銜接兩個接地上。AD7799的GND引腳應(yīng)與模仿地相接。在本描繪中，僅運(yùn)用一個電源供電，可是在AVDD和DVDD引腳之直接一個鐵氧體磁珠。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。因而，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，應(yīng)當(dāng)研究其阻抗頻率特性。本設(shè)計選用600 外表貼裝的鐵氧體磁珠。最終，一般運(yùn)用0.1 F和10 F的電容器對AVDD和DVDD電源進(jìn)行去耦；這兩個電容器都應(yīng)放在盡可接近AD7799的當(dāng)?shù)亍?/span>