利用内置PGA的24位Σ-Δ型ADC AD7780实现电子秤设计 (CN0107)

本电路为采用 AD7780构建的电子秤系统。AD7780是一款引脚可编程、低功耗、低漂移24位Σ-Δ型ADC，内置PGA，采用内部时钟。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。该器件的典型功耗仅为330 μA，适合所有低功耗或电池供电应用。AD7780还提供省电模式，不执行转换时，用户可以切断对桥式传感器的供电，并使该器件进入省电模式，从而延长电池使用时间。

图1. 采用AD7780的电子秤系统（原理示意图：未显示所有连接）

 

AD7780提供一种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AD7780的内置PGA放大。该PGA经过编程，以128的增益工作。AD7780的转换结果通过USB接口送至PC，由PC将数字信息转换为重量。

图2. 采用AD7780的电子秤系统设置

 

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，AD7780具有一路差分模拟输入，接受差分基准电压。称重传感器差分SENSE线路与AD7780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，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。

AD7780具有单独的模拟电源引脚和数字电源引脚。模拟电源和数字电源彼此独立，因此AVDD和DVDD可以处于不同的电位。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。3.3 V数字电源可利用ADP3303 稳压器产生。

有多种方法可以为该电子秤系统供电，例如：利用主电源总线，或者利用ADP3303 (3.3 V)。用5 V电压激励电子秤时，必须使用主电源总线。用3.3 V电压激励称重传感器时，可以使用主电源总线或ADP3303 (3.3 V)。ADP3303 (3.3 V)是一款低噪声稳压器。此外，按照ADP3303 (3.3 V)数据手册的建议，在稳压器输出端配有降噪电容。为优化电磁屏蔽，稳压器输出先经过滤波，然后再给AD7780和称重传感器供电。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，因此必须用低噪声稳压器产生供给AD7780和称重传感器的电源。

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AD7780采用5 V基准电压，则增益设置为128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，AD7780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10 Hz时，AD7780的均方根噪声为49 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。AD7780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（使用5 V激励电压）。软件计算的系统噪声为50 nV（均方根值），相当于30,300无噪声采样数或14.9位无噪声码分辨率。

图3. 500次采样所测得的输出码，体现出噪声的影响

 

图4. 500次采样所测得的输出（单位为千克），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0.075克。因此，该电子秤系统的精度达到0.075克。

上图所示为连接称重传感器之后，从AD7780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采样数，但数据速率会降低。

注意：本文的噪声规格相对于PGA增益为128而言。

AD7780是一款低噪声、低功耗ADC，适合电子秤设计。其它合适的ADC有AD7798和AD7781。AD7781与AD7780的功能组合相同，但前者为20位ADC。AD7798的输出数据速率选择范围更宽。在4.17 Hz时，其均方根噪声为40 nV。

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。

AD7190、AD7192和AD7191适用于精密电子秤设计。当输出数据速率设置为4.7 Hz时，AD7190的均方根噪声为8.5 nV。它也具有较宽的输出数据速率范围。它的工作速率最高可达4.8 kHz，同时仍能保持良好的性能。AD7192与AD7190引脚兼容，但前者的均方根噪声略高。当输出数据速率为4.7 Hz时，AD7192的均方根噪声为11 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。