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發(fā)布時(shí)間：2015-06-09
電子秤向進(jìn)步精度和降低成本方向開(kāi)展的趨勢(shì)導(dǎo)致了對(duì)低成本、高功能模仿信號(hào)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(chēng)重值，運(yùn)用12bit~14 bit的模數(shù)變換器很簡(jiǎn)略慢足需求?？墒?，高精密檢測(cè)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(píng)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(gè)電子秤體系所需思考的疑問(wèn)。描繪中首要思考峰峰值（PP）噪聲分辯率、ADC的動(dòng)態(tài)規(guī)模、增益漂移和濾波。咱們運(yùn)用作為評(píng)價(jià)板的電子秤參閱描繪，將來(lái)自實(shí)踐稱(chēng)重傳感器（又稱(chēng)作負(fù)荷傳感器）的丈量成果與來(lái)自安穩(wěn)參閱電壓源的輸入進(jìn)行比照。
稱(chēng)重傳感器
最遍及的電子秤運(yùn)用橋式稱(chēng)重傳感器完成，稱(chēng)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(chēng)重電橋－一個(gè)具有至少兩個(gè)可變橋臂的4電阻布局的電橋，所稱(chēng)重量導(dǎo)致的電阻改變可發(fā)作一個(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。典型的電橋一般運(yùn)用300 的電阻器。
稱(chēng)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(cuò)和溫度漂移。
靈敏度
稱(chēng)重傳感器的電靈敏度為滿(mǎn)負(fù)荷輸出電壓與鼓勵(lì)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(lì)電壓的傳感器時(shí)，其滿(mǎn)度輸出電壓為10 mV。一般，為了運(yùn)用稱(chēng)重傳感器線性度最佳的一段稱(chēng)重規(guī)模，應(yīng)當(dāng)僅運(yùn)用滿(mǎn)度規(guī)模的三分之二。因而滿(mǎn)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(shí)，在6 mV滿(mǎn)度規(guī)模內(nèi)丈量細(xì)小的信號(hào)改變并非易事。
總差錯(cuò)
總差錯(cuò)是指輸出差錯(cuò)和額外差錯(cuò)的比值。典型電子秤的總差錯(cuò)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(hào)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(chēng)重傳感器也發(fā)作與時(shí)刻有關(guān)的漂移。圖2示出24小時(shí)規(guī)模內(nèi)丈量的實(shí)踐稱(chēng)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(gè)電子秤體系最重要的參數(shù)是內(nèi)有些辯率、ADC動(dòng)態(tài)規(guī)模、無(wú)噪聲分辯率、更新速率、體系增益和增益差錯(cuò)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(dòng)搖無(wú)關(guān)。
內(nèi)有些辯率
用戶(hù)所見(jiàn)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(chēng)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(dòng)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(gè)滿(mǎn)度規(guī)模。在圖1所示的比如中，稱(chēng)重傳感器的電源電壓是5V，滿(mǎn)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(shí)，ADC輸入的滿(mǎn)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(dòng)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(mǎn)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(cuò)的首要來(lái)歷。因而，描繪電子秤時(shí)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(wú)噪聲分辯率
當(dāng)大家閱覽商品技術(shù)資料時(shí)，一個(gè)遍及性的過(guò)錯(cuò)是沒(méi)有注意到將噪聲界說(shuō)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(wú)噪聲編碼分辯率。 ADC的無(wú)噪聲編碼分辯率是指超越這個(gè)位（bit）數(shù)它就不能明白分辯單個(gè)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(gè)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(wú)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(shí)ADC能夠以改寫(xiě)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(shí)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(guò)低頻信號(hào)。
ADC還應(yīng)包括一個(gè)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(lái)自稱(chēng)重傳感器的細(xì)小輸出信號(hào)。與需求外部增益電阻器的分立擴(kuò)大器對(duì)比，集成的PGA經(jīng)過(guò)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(cuò)都會(huì)經(jīng)過(guò)增益級(jí)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(jí)，稱(chēng)重傳感器能夠與這類(lèi)ADC直接相連。
ADI公司描繪的電子秤體系評(píng)價(jià)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(gè)24 bit的高功能∑-△ADC。這答運(yùn)用戶(hù)對(duì)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(cè)驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)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。可是，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(hào)其輸出碼大概是常數(shù)。可是因?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(jiān)持最靈敏階躍呼應(yīng)的好辦法。這里所評(píng)論的描繪軟件運(yùn)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)行均勻以發(fā)作每個(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(duì)剩余的M-2個(gè)數(shù)據(jù)用下面的公式求均勻值：選用均值移動(dòng)辦法可使輸出數(shù)據(jù)速率與輸入數(shù)據(jù)速率堅(jiān)持相同，這是一級(jí)均勻。為了進(jìn)步更新速率，一般運(yùn)用二級(jí)均勻以減小波形誤差。在這種情況下，榜首級(jí)的輸出經(jīng)過(guò)第二級(jí)再取均勻以進(jìn)一步進(jìn)步輸出成果的精度。
減小稱(chēng)重改變的呼應(yīng)時(shí)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(chēng)重發(fā)作改變時(shí)會(huì)呈現(xiàn)疑問(wèn)。當(dāng)稱(chēng)重改變后，稱(chēng)重傳感器的輸出應(yīng)在十分短的時(shí)刻內(nèi)到達(dá)另一個(gè)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(shí)刻遭到均值點(diǎn)的數(shù)量約束。因而需求一種專(zhuān)門(mén)算法來(lái)判別稱(chēng)重的改變。圖4示這出種專(zhuān)門(mén)算法的根本流程圖。
首要，選用兩步判別是為了防止當(dāng)稱(chēng)重改變時(shí)發(fā)作毛刺信號(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越閾值時(shí)，能夠以為發(fā)作了稱(chēng)重改變。當(dāng)稱(chēng)重改變時(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)填充以便十分疾速地越過(guò)稱(chēng)重傳感器的變遷周期。別的，稱(chēng)重傳感器本身也有信號(hào)樹(shù)立時(shí)刻。為了對(duì)此進(jìn)行抵償，在檢測(cè)到稱(chēng)重改變后，均值移動(dòng)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(lái)的6個(gè)接連的均值周期可越過(guò)數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)刻。在6個(gè)更新周期后，均勻再重新開(kāi)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(chēng)重是在兩個(gè)相鄰的顯現(xiàn)稱(chēng)重值之間時(shí)，顯現(xiàn)值將在這兩個(gè)稱(chēng)重值之間發(fā)作閃耀。為了堅(jiān)持安穩(wěn)
的顯現(xiàn)值，可運(yùn)用一種特別的算法。
在每個(gè)顯現(xiàn)周期內(nèi)，軟件決議本周期內(nèi)顯現(xiàn)的稱(chēng)重值是不是與前一個(gè)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(gè)周期。若是不等，將核算這兩個(gè)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(chēng)重值。若是差值大于閾值，則更新顯現(xiàn)值。
ADuC847和AD7799的功能對(duì)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(gè)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(cè)驗(yàn)條件相同的情況下，對(duì)ADuC847片內(nèi)集成的ADC與具有較低噪聲獨(dú)自的AD7799進(jìn)行了對(duì)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(lì)源和ADC的參閱電壓源運(yùn)用同一個(gè)參閱源）。稱(chēng)重傳感器的輸出精度由電橋的鼓勵(lì)電壓決議。因?yàn)殡?/span>橋的輸出直接與鼓勵(lì)電壓成份額，所以鼓勵(lì)電壓的任何漂移都會(huì)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(lì)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(lì)電壓改變也不會(huì)影響丈量精度。這種比率式丈量方法消除了鼓勵(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(chēng)重傳感器的噪聲，一般運(yùn)用一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)接地上之間的上方。在AD7799的正下面運(yùn)用一個(gè)起始點(diǎn)銜接兩個(gè)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(gè)電源供電，可是在AVDD和DVDD引腳之直接一個(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(shí)，應(yīng)當(dāng)研究其阻抗頻率特性。本設(shè)計(jì)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(duì)AVDD和DVDD電源進(jìn)行去耦；這兩個(gè)電容器都應(yīng)放在盡可接近AD7799的當(dāng)?shù)亍?/span>