文档介绍：高性能低成本电子秤的参考设计
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引言
电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本高性能模拟信号处理器件需求的增加。这种需求范围并不是很明显:因为大多数电子秤是以1:3,000或1:10,000的分辨率输出最终的称重值,这里使用12 bit~14 bit的模数转换器(ADC)很容易(显然地)满足要求。然而,高精密检测的电子秤表明达到这种分辨率要求并不容易;实际上,这种情况下ADC的精度需要达到接近于20 bit。在本文中,我们将讨论一些电子秤的系统技术指标以及设计和构建一个电子秤系统所需考虑的问题。设计中主要考虑的问题是峰峰值(PP)噪声分辨率、ADC的动态范围、增益漂移和滤波。我们使用作为评估板的电子秤参考设计,将来自实际称重传感器(又称作负荷传感器)的测量结果与来自稳定参考电压源的输入进行了对比。
称重传感器
最普遍的电子秤是使用桥式称重传感器实现的,称重传感器的输出电压直接与放在其上的重量成比例。图1示出了典型的称重电桥;它是一个具有至少两个可变桥臂的4电阻结构的电电桥, V(电源电压的一半)共模电压之上的差分电压。典型的电电桥通常使用300Ω的电阻器。
图1. 称重传感器的基本电路
称重传感器本身具有单调性,其主要参数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。
灵敏度
称重传感器的电灵敏度定义为满负荷输出电压与激励电压的比值,典型值是2mV/V。当使用2 mV/V灵敏度和5 V激励电压的传感器时,其满度输出电压为10 mV。通常,为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围,应当仅使用满度范围的三分之二。因此满度输出电压应当大约为6 mV。这种情况下提出的挑战是如何采用达到最高精度的方法在6 mV满度范围内测量微小的信号变化——当电子秤通常使用在工业环境时,这不是一件容易的事。
总误差
总误差是指输出误差和额定误差的比值。%。这是一项非常重要的技术指标,因为它限制了使用理想信号调理电路所能达到的精确度。因此它决定了ADC分辨率的选择以及放大电路和滤波器的设计。
漂移
称重传感器也产生与时间相关的漂移。图2示出24小时(hr)范围内测量的实际称重传感器漂移特性。在测量期间温度基本保持恒定,所以没有与温度相关的漂移。测量结果表明(使用24 bit ADC测量的bit变化数量)具有125 ppm的总体漂移。
图2. 称重传感器长期的稳定性曲线——24小时范围内
电子秤系统
当设计一个电子秤系统时,要考虑的最重要的参数是内部分辨率、ADC动态范围、无噪声分辨率、更新速率、系统增益和增益误差漂移。该系统必须设计成比率工作方式,所以它与电源电压波动无关——这将在后面讨论。
内部分辨率
如前所述,用户所见的典型电子秤系统的分辨率范围最低为1:3,000,最高达1:10,000以适用于高端解决方案。例如,能以1:10,。LCD显示器上能看到的这种分辨率通常称作外部分辨率。为了确保精确地达到这种分辨率,电子秤系统的内部分辨率必须至少应高于外部分辨率一个数量级。实际上,某些标准规定系统的内部分辨率应该优于外部比例的20倍。对于上述例子,内部分辨率应达到1:200,000。
图3. 典型的电子秤系统
ADC动态范围
在使用标准高分辨率ADC的电子秤应用中,不太可能用ADC的整个满度范围。在图1所示的例子中,称重传感器的电源电压是5V,满度输出是10 mV,其线性范围是6 mV。当模拟前端使用增益为128的电路时,ADC输入的满度将是768 mV。 V参考电压,则仅用了ADC动态范围的30%。
如果电子秤的内部分辨率需要1:200,000的精度以达到770 mV的满度范围,那么 ADC为了满足此性能要求需要优于3倍~4倍的分辨率。在这种情况下,如果内部分辨率是1:800,000,那么ADC要求达19 bit~20 bit的精度。现在我们可以理解根据信号处理要求所提出的实际难题了。
增益和失调漂移
工业电子秤系统通常工作在超过50°C温度范围内。设计工程师们必须考虑在超过室温的温度条件下系统的精度,因为随温度变化的增益漂移可能就是误差的主要来源。例如,增益误差漂移为1 ppm/°C的 20 bit 稳定系统在50°C温度范围内工作时会产生50 LSB的误差。虽然系统在25C条件下具有1 LSB的稳定性,但是在满温度范围内实际上仅有50 LSB精度。因此,设计电子秤时选择一款具有低增益漂移的ADC是一项非常重要的考虑因素。
但失调漂移并不是主要的考虑因素。大多数Σ-Δ ADC都设计成具有内部斩波模式,这使得Σ