利用内置PGA和交流激励的24位Σ-Δ型ADC AD7195实现精密电子秤设计 (CN0155)

该电路为采用 AD7195构建的交流激励电子秤系统。AD7195是一款超低噪声、低漂移24位Σ-Δ ADC，内置PGA和驱动器来实现称重传感器的交流激励。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，AD7195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，以及较高速电子秤系统。

图1. 采用内置交流激励的AD7195的电子秤系统（简化原理图，未显示所有连接）

 

利用交流激励，即可使用外部MOSFET来切换称重传感器的激励电压极性。然后对相邻值求平均值，以消除直流感应偏差。AD7195包含内部逻辑来控制外部MOSFET的开关。来自AD7195的驱动信号经过精确定时，非重叠，可确保在切换桥式驱动电压的极性时不会发生短路。上拉和下拉电阻1 MΩ连接到ACX2和ACX2，防止上电时短路。

AD7195提供一种集成式交流激励称重传感器解决方案。AD7195可接受反向基准电压，当称重传感器的激励电压反向时，就需要这种特性。AD7195将交流激励与转换保持同步，然后求平均值。只需用到很少的外部元件。除了MOSFET晶体管外，只需在模拟输入端用一些滤波器，在基准电压引脚上配置一些电容等外部元件，便可满足电磁屏蔽(EMC)要求。

来自称重传感器的低电平信号由AD7195的内置PGA放大。该PGA经过编程，以128的增益工作。AD7195的转换结果通过USB接口送至PC。使用Labview软件可将转换结果转换为重量并显示。

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，AD7195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AD7195基准电压输入端相连，可构成一个比率式配置，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引脚EXC +和EXC -相连。这种配置中，由于存在线路电阻，EXC +/ EXC –引脚与SENSE+/SENSE-之间将有压降，因此系统不是完全比率式。

图2. 采用AD7195的电子秤系统设置

 

AD7195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范围内的任意电压供电。

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。

有多种方法可以为该电子秤系统供电，例如：利用主电源或利用电池（如图1所示）供电。一个5 V低噪声稳压器用来确保AD7195和称重传感器获得低噪声电源。ADP3303 (5 V)是一款低噪声调节器，用来产生5 V电源。虚线框内显示的滤波器网络用来确保系统获得低噪声AVDD。此外，按照ADP3303 (5 V)数据手册的建议，在调节器输出端配有降噪电容。为优化电磁屏蔽性能，调节器输出先经过滤波，然后再给AD7195和称重传感器供电。3.3 V数字电源可利用ADP3303 (3.3 V)调节器产生。由于电源或接地层上的任何噪声都会给系统带来噪声，导致电路性能降低，因此必须用低噪声调节器产生供给AD7195和称重传感器的全部电源。

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AD7195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±40mV。相对于称重传感器的满量程信号(10 mV)而言，AD7195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。

当一阶滤波器陷波设置值为4.7Hz时，AD7195的均方根噪声为6 nV，峰峰值噪声为40 nV。当使用交流激励时（选中sinc⁴滤波器），这相当于1.17 Hz的输出数据速率。无噪声采样数等于

在实际操作中，称重传感器本身会引入一定的噪声。图3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。软件计算的系统噪声为10nV（均方根值）和51nV（峰峰值），相当于196,000无噪声数或17.5位无噪声分辨率（根据测得的峰峰值噪声计算得出）。

图3. 500次采样所测得的输出码，体现出噪声的影响

 

图4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0.01克。因此，该电子秤系统的精度达到0.01克。

图4. 500次采样所测得的输出（单位为克），体现出噪声的影响

 

上图所示为连接称重传感器之后，从AD7195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。

与其它高精度电路一样，必须采用适当的布局、接地和去耦技术。欲了解更多信息，请参考 教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团” ，以及教程MT-101——“去耦技术”。

有关其他无需交流激励的电子秤电路，请参加电路笔记CN-0102、CN-0107、CN-0108、CN-0118和CN-0119。