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電子秤系統(tǒng)的技術(shù)指標和設(shè)計考慮
電子秤所要求的精度在起初并不是很明顯,。其典型分辨率僅為1：3,000-1：10,000，因此12bit-14bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)看起來應(yīng)該足夠,。但進步的分析表明情況并不是這樣,，實際上需要20bitADC。本文介紹電子秤系統(tǒng)的技術(shù)指標和設(shè)計考慮,，包括噪聲,、動態(tài)范圍、失調(diào)漂移,、增益漂移和濾波,。
使用具有10,000計數(shù)分辨率能夠測量高達5kg重量的電子秤能夠具有0.5g重量分辨率,。正如在液晶顯示器(LCD)上看到的，這種分辨率通常是指外部計數(shù),。為了確保滿足外部計數(shù)精度,，通常內(nèi)部分辨率必須具有高于外部分辨率個數(shù)量的精度，有些標準規(guī)定內(nèi)部計數(shù)精度比外部計數(shù)精度高20倍,。在這種情況下,，內(nèi)部計數(shù)必須到是1：200,000。
在大多數(shù)電子秤應(yīng)用中,，實際上僅使用ADC動態(tài)范圍的小部分,。如圖l所示，稱重傳感器(又稱作負荷傳感器)采用5 V電源電,，其滿量程輸出是10mV,，線性范圍是6mV。如果前端電路的增益為128,，則ADC的滿量程輸入大約是768mV,。如果采用2.5V的基準電壓，則只使用了不足三分之的ADC動態(tài)范圍,。
如果內(nèi)部計數(shù)在滿量程范圍768mV內(nèi)必須到1：200,000，則ADC精度應(yīng)該比上述分析中的ADC提高3～4倍以滿足性能要求,。在這種情況下需要具有19-20bit精度的ADC,。
工業(yè)電子秤系統(tǒng)通常工作在超過50℃的溫度范圍，因此溫度漂移可能是其主要的誤差來源,。例如,，具有1 ppm/℃增益漂移的20bit精度的系統(tǒng)在50℃的溫度范圍內(nèi)會產(chǎn)生50LSB的誤差。雖然系統(tǒng)在25℃時可以到1LSB,，但它在超過滿溫度范圍時僅到50LSB,。因此當(dāng)設(shè)計電子秤時選用低漂移ADC非常重要。
失調(diào)漂移并不是個很重要的考慮因素,。大多數(shù)的∑-△ADC采用“斬波”技術(shù),，這種技術(shù)具有降低漂移和提高抗噪聲干擾的優(yōu)勢。大多數(shù)電子秤設(shè)計工程師都會大大受益于斬波技術(shù)*的低漂移性能和抗噪聲*力,。例如,，AD7799 24 bit Z-A ADC的失調(diào)漂移指標僅為10nV/℃。在20bit系統(tǒng)中,，其在全部50℃的工作范圍內(nèi)僅產(chǎn)生1/4LSB的誤差,。
人們在閱讀芯片使用說明時犯的個普遍錯誤就是將有效值(RMS)噪聲與峰峰值(pk-pk)噪聲混淆。對于電子秤應(yīng)用,，重要的技術(shù)指標是pk-pk噪聲或者是無噪聲分辨率,。ADC的無噪聲分辨率是指超過這個位(bit)數(shù)它就不能清楚分辨?zhèn)€別編碼的分辨率,。
系統(tǒng)的pk-pk分辨率取決于ADC的更新速率。例如,，當(dāng)AD7799的更新速率為4Hz時,，它能達到20.5 bit的pk-pk分辨率;當(dāng)為500Hz時，pk-pk分辨率降低到16 bit,。在電子秤系統(tǒng)中,，設(shè)計工程師需要折衷ADC的大采樣速率和顯示器的小更新速率。對于電子秤,，通常使用10 Hz的采樣速率,。
在低更新速率時對低噪聲和高線性度的要求使得Z-AADC成為電子秤的佳選擇。Z-△ADC的第二個優(yōu)點是內(nèi)置的噪聲整形和數(shù)字濾波,。 先量化噪聲可擴展到調(diào)制頻率的半,。然后限制數(shù)字濾波器的帶寬只通過低頻輸出，從而顯著地減少對復(fù)雜后處理的要求,。
ADC也應(yīng)該包含個低噪聲可編程增益放大器(PGA)以放大稱重傳感器的微弱信號輸出,。這種內(nèi)PGA與使用外部增益電阻器的分立放大器相比可提低溫度漂移。用于電子秤應(yīng)用的AD7799具有27nV/√Hz噪聲指標并且集成了個可提高達128增益的PGA,，因此稱重傳感器可直接與ADC連接,。
AD7799的有效分辨率受噪聲的限制，并且隨著其輸出數(shù)據(jù)數(shù)率和增益設(shè)置而變化,。平均值濾波器可以用來增加有效分辨率并且去除盡可能多的噪聲,，從而可在保持急劇的階躍響應(yīng)的同時減少隨機噪聲。該濾波器從ADC取M個數(shù)據(jù)點,，刪除小數(shù)據(jù)點和大數(shù)據(jù)點,，然后對M2個點作平均。采用的公式為：
輸出數(shù)據(jù)數(shù)率保持不變,。這屬于階平均,。對于更高的更新速率，通常需要使用二階平均,。在這里,，對*的輸出再作第二的平均處理以進步改進測量結(jié)果。平均可將有效分辨率提高2.3bit(從19.6 bit pk-pk到21.9bitpk-pk),。其的缺點就是由于流水線延遲而延長了建立時間,，濾波器經(jīng)過M個周期的權(quán)重值變化之后才指示正確結(jié)果。
為了加快建立時間,，權(quán)重值變化應(yīng)該發(fā)生在兩個數(shù)據(jù)點的差值和濾波器的輸出都超過閾值時,。第二的全部M個數(shù)據(jù)點使用數(shù)據(jù)以加快建立時間。稱重傳感器也具有建立時間問題，可通過使用的ADC數(shù)據(jù)刷新平均窗口中的所有數(shù)據(jù)來改善建立時間,。經(jīng)過6個刷新周期之后重新開始平均,。
當(dāng)待測的重量位于兩個相鄰顯示重量之間的接近跳變時，顯示值將在這兩個重量值之間閃爍,。為了保持顯示值穩(wěn)定,，由軟件判斷個周期中的重量值是否與前個周期中的重量值相等。如果相等,，則LCD的輸出不改變,。如果不等并且這兩個周期之間的內(nèi)部代碼差值比閾值小，則將這種變化看作是噪聲,，它對LCD輸出的微小作用不會刷新顯示值,。如果差值大干閾值，則顯示值會刷新,。
為了獲得佳性能,，我們采用了比率式測量方法。電橋的激勵電壓直接決定稱重傳感器的輸出精度,。電橋的輸出直接與激勵電壓成比例,，并且激勵電壓的任何漂移都會在電橋輸出電壓中產(chǎn)生相應(yīng)的漂移。如果ADC的基準電壓源與電橋的激勵電壓成比例,，那么不會由于電橋激勵電壓的漂移損失測量精度,。因此，消除了激勵源中低頻噪聲的影響,。您可以使用簡單的階RC濾波器使ADC輸入端的噪聲降到低,。
參考文獻：
1.ADI公司AD7799數(shù)據(jù)手冊
源：《改進電子秤的性能》作者：聶海霞 來源：電子產(chǎn)品 2006年19期