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電子秤系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)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(lái)應(yīng)該足夠。但進(jìn)步的分析表明情況并不是這樣，實(shí)際上需要20bitADC。本文介紹電子秤系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)考慮，包括噪聲、動(dòng)態(tài)范圍、失調(diào)漂移、增益漂移和濾波。
使用具有10,000計(jì)數(shù)分辨率能夠測(cè)量高達(dá)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(jì)數(shù)。為了確保滿足外部計(jì)數(shù)精度，通常內(nèi)部分辨率必須具有高于外部分辨率個(gè)數(shù)量的精度，有些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)部計(jì)數(shù)精度比外部計(jì)數(shù)精度高20倍。在這種情況下，內(nèi)部計(jì)數(shù)必須到是1：200,000。
在大多數(shù)電子秤應(yīng)用中，實(shí)際上僅使用ADC動(dòng)態(tài)范圍的小部分。如圖l所示，稱重傳感器(又稱作負(fù)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(zhǔn)電壓，則只使用了不足三分之的ADC動(dòng)態(tài)范圍。
如果內(nèi)部計(jì)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(lái)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(huì)產(chǎn)生50LSB的誤差。雖然系統(tǒng)在25℃時(shí)可以到1LSB，但它在超過滿溫度范圍時(shí)僅到50LSB。因此當(dāng)設(shè)計(jì)電子秤時(shí)選用低漂移ADC非常重要。
失調(diào)漂移并不是個(gè)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(shì)。大多數(shù)電子秤設(shè)計(jì)工程師都會(huì)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(biāo)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?cè)陂喿x芯片使用說明時(shí)犯的個(gè)普遍錯(cuò)誤就是將有效值(RMS)噪聲與峰峰值(pk-pk)噪聲混淆。對(duì)于電子秤應(yīng)用，重要的技術(shù)指標(biāo)是pk-pk噪聲或者是無(wú)噪聲分辨率。ADC的無(wú)噪聲分辨率是指超過這個(gè)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(shí)，它能達(dá)到20.5 bit的pk-pk分辨率;當(dāng)為500Hz時(shí)，pk-pk分辨率降低到16 bit。在電子秤系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)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(duì)于電子秤，通常使用10 Hz的采樣速率。
在低更新速率時(shí)對(duì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)置的噪聲整形和數(shù)字濾波。 先量化噪聲可擴(kuò)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(duì)復(fù)雜后處理的要求。
ADC也應(yīng)該包含個(gè)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(hào)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(biāo)并且集成了個(gè)可提高達(dá)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(lái)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(shí)減少隨機(jī)噪聲。該濾波器從ADC取M個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，刪除小數(shù)據(jù)點(diǎn)和大數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后對(duì)M2個(gè)點(diǎn)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(duì)于更高的更新速率，通常需要使用二階平均。在這里，對(duì)*的輸出再作第二的平均處理以進(jìn)步改進(jìn)測(cè)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(diǎn)就是由于流水線延遲而延長(zhǎng)了建立時(shí)間，濾波器經(jīng)過M個(gè)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(shí)間，權(quán)重值變化應(yīng)該發(fā)生在兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的差值和濾波器的輸出都超過閾值時(shí)。第二的全部M個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)使用數(shù)據(jù)以加快建立時(shí)間。稱重傳感器也具有建立時(shí)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(lái)改善建立時(shí)間。經(jīng)過6個(gè)刷新周期之后重新開始平均。
當(dāng)待測(cè)的重量位于兩個(gè)相鄰顯示重量之間的接近跳變時(shí)，顯示值將在這兩個(gè)重量值之間閃爍。為了保持顯示值穩(wěn)定，由軟件判斷個(gè)周期中的重量值是否與前個(gè)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(gè)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(duì)LCD輸出的微小作用不會(huì)刷新顯示值。如果差值大干閾值，則顯示值會(huì)刷新。
為了獲得佳性能，我們采用了比率式測(cè)量方法。電橋的激勵(lì)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(lì)電壓成比例，并且激勵(lì)電壓的任何漂移都會(huì)在電橋輸出電壓中產(chǎn)生相應(yīng)的漂移。如果ADC的基準(zhǔn)電壓源與電橋的激勵(lì)電壓成比例，那么不會(huì)由于電橋激勵(lì)電壓的漂移損失測(cè)量精度。因此，消除了激勵(lì)源中低頻噪聲的影響。您可以使用簡(jiǎn)單的階RC濾波器使ADC輸入端的噪聲降到低。
參考文獻(xiàn)：
1.ADI公司AD7799數(shù)據(jù)手冊(cè)
源：《改進(jìn)電子秤的性能》作者：聶海霞 來(lái)源：電子產(chǎn)品 2006年19期