本電路為采用AD7191構(gòu)建的電子秤系統(tǒng)。AD7191是一款引腳可編程、低噪聲,、低漂移24位Σ-Δ轉(zhuǎn)換器,，內(nèi)置PGA,，采用內(nèi)部時鐘,。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計,。它具有四種輸出數(shù)據(jù)速率和四種增益設置,，可利用專用引腳進行選擇，這有助于簡化與ADC的接口,。
圖1. 采用AD7191的電子秤系統(tǒng)（原理示意圖,，未顯示所有連接）
電路描述
AD7191提供一種集成式電子秤解決方案，可以直接與稱重傳感器接口,。只需在模擬輸入端用一些濾波器,，在基準電壓引腳上配置一些電容等外部元件，便可滿足電磁屏蔽(EMC)要求,。來自稱重傳感器的低電平信號由AD7191的內(nèi)置PGA放大,。該PGA經(jīng)過編程,，以128的增益工作。AD7191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所示為實際的測試設置。為實現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能,，該測試設置使用一個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，因此可以精確測量電橋上產(chǎn)生的電壓,。此外,，AD7191具有差分模擬輸入，接受差分基準電壓,。稱重傳感器差分SENSE線路與AD7191基準電壓輸入端相連，可構(gòu)成一個比率式配置,，不受電源激勵電壓的低頻變化影響,。如果采用4線式稱重傳感器，則不存在檢測引腳,，ADC基準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AD7191的電子秤系統(tǒng)
AD7191具有單獨的模擬電源和數(shù)字電源。模擬部分必須采用5 V電源供電,。數(shù)字電源獨立于模擬電源,，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,。
有多種方法可以為該電子秤系統(tǒng)供電，例如：利用主電源或利用電池（如圖1所示）供電,。一個5 V低噪聲穩(wěn)壓器用來確保AD7191和稱重傳感器獲得低噪聲電源,。低噪聲穩(wěn)壓器ADP3303 (5 V)用來產(chǎn)生5 V電源。虛線框內(nèi)顯示的濾波器網(wǎng)絡用來確保系統(tǒng)獲得低噪聲AVDD。此外,，按照ADP3303 (5 V)數(shù)據(jù)手冊的建議,，在穩(wěn)壓器輸出端配有降噪電容。為優(yōu)化電磁屏蔽性能,，穩(wěn)壓器輸出先經(jīng)過濾波,，然后再給AD7191和稱重傳感器供電。3.3 V數(shù)字電源可利用ADP3303 (3.3 V)穩(wěn)壓器產(chǎn)生,。由于電源或接地層上的任何噪聲都會給系統(tǒng)帶來噪聲,，導致電路性能降低，因此必須用低噪聲穩(wěn)壓器產(chǎn)生供給AD7191和稱重傳感器的全部電源,。
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AD7191采用5 V基準電壓，則增益設置為128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，AD7191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,。
當輸出數(shù)據(jù)速率為10 Hz時，AD7191的均方根噪聲為15 nV,。無噪聲采樣數(shù)等于
在實際操作中,，稱重傳感器本身會引入一定的噪聲。AD7191的漂移也會導致稱重傳感器發(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3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。軟件計算的系統(tǒng)噪聲為17 nV（均方根值）和98 nV（峰峰值）,，相當于102,000無噪聲采樣數(shù)或16.6位無噪聲碼分辨率,。
圖3. 500次采樣所測得的輸出碼，體現(xiàn)出噪聲的影響
圖4. 500次采樣所測得的輸出（單位為克）,，體現(xiàn)出噪聲的影響
上圖所示為連接稱重傳感器之后,，從AD7191回讀得到的實際轉(zhuǎn)換結(jié)果,。在實際操作中，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)行均值計算會進一步提高無噪聲采樣數(shù),，但數(shù)據(jù)速率會降低。
常見變化
注意：本文的所有噪聲規(guī)格均相對于PGA增益為128而言,。
AD7191是一款引腳可編程ADC,，適用于高端電子秤。其它合適的ADC有 AD7190 和 AD7192,。當輸出數(shù)據(jù)速率設置為4.7 Hz時,，AD7190的均方根噪聲為8.5 nV。它也具有較寬的輸出數(shù)據(jù)速率范圍,。它的工作速率最高可達4.8 kHz,，同時仍能保持良好的性能。AD7192與AD7190引腳兼容,，但前者的均方根噪聲略高,。當輸出數(shù)據(jù)速率為4.7 Hz時，AD7192的均方根噪聲為11 nV,。
AD7799適用于中端電子秤,。當輸出數(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,，增益可設置為1或128,。當輸出數(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?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g(shù),。欲了解更多信息,，請參考教程MT-031——“實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團”，以及教程MT-101——“去耦技術(shù)”,。