利用内置PGA的24位Σ-Δ型ADC AD7190实现精密电子秤设计 (CN0102)

本电路为电子秤系统，采用超低噪声、低漂移、内置PGA的24位Σ-Δ型ADC AD7190。该器件将大多数系统构建模块置于芯片内，因此能够简化电子秤设计。

在4.7 Hz至4.8 kHz的完整输出数据速率范围内，AD7190均能保持良好的性能，可用于以较低速度工作的电子秤系统，以及料斗秤等较高速电子秤系统。

图1. 采用AD7190的电子秤系统（原理示意图：未显示所有连接）

 

AD7190提供集成式电子秤解决方案，可以直接与称重传感器接口。只需在模拟输入端采用一些滤波器，在基准电压引脚上配置一些电容等外部元件，以满足电磁屏蔽(EMC)要求。来自称重传感器的低电平信号由AD7190的内置PGA放大。该PGA经过编程，以128的增益工作。AD7190的转换结果送至微控制器，将数字信息转换为重量并显示在LCD上。

图2所示为实际的测试设置。为实现最佳系统性能，该测试设置使用一个6线式称重传感器。除激励、接地和2个输出连接外，6线式称重传感器还有2个检测引脚。这些检测引脚分别与惠斯登电桥的高端和低端相连。因此，尽管线路电阻会引起压降，但仍能精确测量该电桥上产生的电压。此外，AD7190具有差分模拟输入，接受差分基准电压。称重传感器差分SENSE线路与AD7190基准电压输入端相连，可构成一个比率式配置，既不受电源激励电压的低频变化影响，也无需精密基准电压源。如果采用4线式称重传感器，则不存在检测引脚，ADC基准电压引脚将与激励电压和地相连。这种配置中，由于存在线路电阻，激励电压与SENSE+之间将有压降，因此系统不是完全比率式。另外，低端上也会有线路电阻引起的压降。

图2. 采用AD7190的电子秤系统设置

 

AD7190具有单独的模拟电源引脚和数字电源引脚。模拟部分必须采用5 V电源供电。数字电源独立于模拟电源，可以为2.7 V至5.25 V范围内的任意电压。微控制器采用3.3 V电源。因此，DVDD也采用3.3 V电源供电。这样就无需外部电平转换，从而可以简化ADC与微控制器之间的接口。

图3显示增益等于128时，AD7190在不同输出数据速率下的均方根噪声。此图显示，均方根噪声随着输出数据速率增加而增加。不过，在整个输出数据速率范围内，该器件均能保持良好的噪声性能。

图3. AD7190在不同输出数据速率下的均方根噪声

 

如果使用灵敏度为2 mV/V的2 kg称重传感器，则激励电压为5 V时，来自称重传感器的满量程信号为10 mV。称重传感器具有相关失调电压或TARE。此TARE的幅度最高可达称重传感器满量程输出信号的50%。称重传感器还有最高可达满量程±20%的增益误差。一些客户利用DAC来消除或抵消TARE。如果AD7190采用5 V基准电压，则增益设置为128且器件配置为双极性工作模式时，其模拟输入范围等于±40 mV。相对于称重传感器的满量程信号(10 mV)而言，AD7190的模拟输入范围较宽，这有利于确保称重传感器的失调电压和增益误差不会使ADC前端过载。

当输出数据速率为4.7 Hz时，AD7190的均方根噪声为8.5 nV。 无噪声采样数等于



其中系数6.6用来将均方根电压转换为峰峰值电压。

因此，以克(g)为单位表示的分辨率等于



无噪声分辨率等于

在实际操作中，称重传感器本身会引入一定的噪声。AD7190的漂移也会导致称重传感器发生一定的时间和温度漂移。为确定完整系统的精度，可以将该电子秤通过USB连接器与PC相连，然后利用LabView软件评估电子秤系统的性能。图4显示将1 kg重物置于称重传感器上并收集500次转换结果所测得的输出性能。软件计算出的系统噪声为12 nV（均方根值）和88 nV（峰峰值），相当于113,600无噪声采样数或16.8位无噪声码分辨率。

图4. 500次采样所测得的输出码，显示出噪声的影响

 

图5. 500次采样所测得的输出（单位为克），显示出噪声的影响

 

图5显示重量方面的性能。相对于500个码，输出的峰峰值变化量为0.02克。因此，该电子秤系统的精度达到0.02克。

上图所示为连接负荷传感器之后，从AD7190回读得到的实际（原始）转换结果。在实际操作中，电子秤系统会采用数字后置滤波器。在后置滤波器中另外执行均值计算会进一步提高无噪声采样数，但数据速率会降低。

注意：本文的所有噪声规格均相对于PGA增益为128而言。

AD7190是一款高精度ADC，适用于高端电子秤。其它合适的ADC有AD7192和AD7191。AD7192与AD7190引脚兼容，但前者的均方根噪声略高。当输出数据速率均为4.7 Hz时，AD7192的均方根噪声为11 nV，AD7190的均方根噪声为8.5 nV。AD7191是一款引脚可编程器件，具有四种输出数据速率和四种增益设置。由于它具有引脚可编程能力，并且功能较少，因此易于使用。AD7191的均方根噪声与AD7192相同。

AD7799适用于中端电子秤。当输出数据速率为4.17 Hz时，其均方根噪声为27 nV。

AD7798、AD7781和AD7780均适用于低端电子秤。AD7798与AD7799的功能组合相同。在4.17 Hz时，其均方根噪声为40 nV。AD7780和AD7781均有一路差分模拟输入，并且引脚可编程，输出数据速率可以为10 Hz和17.6 Hz，增益可设置为1或128。当输出数据速率为10 Hz时，均方根噪声为44 nV。