電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路是一個(gè)精密電子秤信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，它使用一個(gè)低功耗緩沖式24位Σ-Δ型ADC AD7791和兩個(gè)外部零漂移放大器ADA4528-1 。該解決方案支持單電源供電，可提供高直流增益。

前端使用超低噪聲、低失調(diào)電壓、低漂移放大器，以便放大來自稱重傳感器的低電平信號(hào)。對(duì)于滿量程輸出為10 mV的稱重傳感器，該電路提供15.3位的無噪聲碼分辨率。

利用本電路可以非常靈活地設(shè)計(jì)定制低電平信號(hào)調(diào)理前端，用戶可以輕松優(yōu)化傳感器-放大器-轉(zhuǎn)換器組合電路的整體傳遞函數(shù)。在9.5 Hz至120 Hz的完整輸出數(shù)據(jù)速率范圍內(nèi)，AD7791均能保持良好的性能，可用于以各種較低速度工作的電子秤應(yīng)用。

圖1. 采用AD7791的電子秤系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接） Weigh Scale System Using the AD7791 （Simplified Schematic， All Connections and Decoupling Not Shown）

電路描述

圖2所示為實(shí)際的測(cè)試設(shè)置。為進(jìn)行測(cè)試，使用6線Tedea-Huntleigh 505H-0002-F070稱重傳感器。

流經(jīng)PCB走線的電流會(huì)產(chǎn)生IR壓降，走線較長時(shí)，這種壓降可能達(dá)到數(shù)毫伏或更大，引起相當(dāng)大的誤差。室溫下，1英寸長、0.005英寸寬的1盎司銅走線的電阻約為100 mΩ。當(dāng)負(fù)載電流為10 mA時(shí)，該走線可能引起1 mV的誤差。

除激勵(lì)、接地和兩個(gè)輸出連接外，6線式稱重傳感器還有兩個(gè)檢測(cè)引腳。這些檢測(cè)引腳分別與惠斯登電橋的高端（激勵(lì)引腳）和低端（地引腳）相連。盡管在線路電阻上存在一定的壓降，但仍能精確測(cè)量該電橋上產(chǎn)生的電壓。此外，AD7791接受差分模擬輸入和差分基準(zhǔn)電壓。這兩個(gè)檢測(cè)引腳與AD7791基準(zhǔn)電壓輸入端相連，構(gòu)成一個(gè)比率式配置，不受電源激勵(lì)電壓的低頻變化影響。因?yàn)槭潜嚷适竭B接，所以無需精密基準(zhǔn)電壓源。

與6線式稱重傳感器不同，4線式稱重傳感器不具有檢測(cè)引腳，ADC差分基準(zhǔn)電壓引腳與激勵(lì)電壓和地直接相連。采用這種連接時(shí)，由于有線路電阻，ADC的激勵(lì)引腳與基準(zhǔn)電壓引腳之間存在壓差。另外，低端（地）上也會(huì)有線路電阻引起的壓差。這樣，系統(tǒng)將不完全是比率式。

當(dāng)激勵(lì)電壓為5 V時(shí)，Tedea-Huntleigh 2 kg稱重傳感器的靈敏度為2 mV/V，滿量程輸出為10 mV。稱重傳感器也具有相關(guān)的失調(diào)電壓或TARE。此外，稱重傳感器還具有增益誤差。一些客戶利用DAC來消除或抵消TARE。當(dāng)AD7791采用5 V基準(zhǔn)電壓時(shí)，差分模擬輸入范圍等于±5 V或10 V p-p。圖1所示電路將稱重傳感器輸出放大375 （1 + 2R1/RG）倍，因此以稱重傳感器輸出為基準(zhǔn)的滿量程輸入范圍為10 V/375 = 27 mV p-p。相對(duì)于稱重傳感器的10 mV p-p滿量程信號(hào)，AD7791的模擬輸入范圍較寬，這有利于確保稱重傳感器的失調(diào)電壓和增益誤差不會(huì)使ADC前端過載。

來自稱重傳感器的低電平幅度信號(hào)由兩個(gè)零漂移放大器ADA4528-1放大。顧名思義，零漂移放大器的失調(diào)電壓漂移接近為0。放大器連續(xù)自行校正任何直流誤差，盡可能保持精確。除了低失調(diào)電壓和漂移外，零漂移放大器也沒有1/f噪聲，這一重要特性有助于電子秤在直流或低頻時(shí)進(jìn)行精確測(cè)量。

兩個(gè)運(yùn)算放大器ADA4528-1配置為三運(yùn)放儀表放大器的第一級(jí)。第三個(gè)運(yùn)算放大器連接為差動(dòng)放大器，一般用于第二級(jí)，但在圖1所示電路中，AD7791的差分輸入端執(zhí)行此功能。

增益等于1 + 2R1/RG。電容C1和C2置于運(yùn)算放大器的反饋環(huán)路中，與R1和R2一起形成4.3 Hz截止頻率的低通濾波器，用于限制進(jìn)入Σ-Δ型ADC的噪聲量。C5與R3和R4一起形成一個(gè)截止頻率為8 Hz的差分濾波器，用以進(jìn)一步限制噪聲。C3和C4與R3和R4一起形成截止頻率為159 Hz的共模濾波器。

低噪聲調(diào)節(jié)器ADP3301為AD7791、ADA4528-1和稱重傳感器供電。除了去耦電容外，按照 ADP3301 數(shù)據(jù)手冊(cè)的建議，在調(diào)節(jié)器輸出端配有降噪電容。調(diào)節(jié)器必須為低噪聲型，因?yàn)殡娫椿虻貙拥娜魏卧肼暥紩?huì)在系統(tǒng)中引起噪聲，導(dǎo)致電路性能下降。

圖2. 采用AD7791的電子秤系統(tǒng)設(shè)置

24位Σ-Δ型ADC AD7791轉(zhuǎn)換來自稱重傳感器的經(jīng)放大的信號(hào)。AD7791配置為緩沖工作模式，以適應(yīng)模擬輸入引腳上的R-C濾波器網(wǎng)絡(luò)的阻抗。

圖3顯示AD7791在不同輸出數(shù)據(jù)速率下的均方根噪聲。此圖顯示，均方根噪聲隨著輸出數(shù)據(jù)速率增加而增加。不過，在整個(gè)輸出數(shù)據(jù)速率范圍內(nèi)，該器件均能保持良好的噪聲性能。

圖3. AD7791在不同輸出數(shù)據(jù)速率下的均方根噪聲，采用2.5 V基準(zhǔn)電壓（5 V p-p輸入范圍），緩沖器開啟

在9.5 Hz輸出數(shù)據(jù)速率和2.5 V基準(zhǔn)電壓下，AD7791的均方根噪聲為1.1 μV，因而無噪聲碼數(shù)為

其中系數(shù)6.6用來將均方根電壓轉(zhuǎn)換為峰峰值電壓。

因此，相應(yīng)的無噪聲碼分辨率等于：

注意，這是AD7791在不連接稱重傳感器或輸入放大器情況下的性能。

圖1所示電路使用5 V基準(zhǔn)電壓，峰峰值輸入范圍為10 V，因此LSB等于：具有5.9 nV/√Hz的電壓噪聲密度，因此，輸入放大器和電阻會(huì)增加系統(tǒng)的噪聲。此外，稱重傳感器本身也會(huì)增加噪聲。

圖1所示電路使用5 V基準(zhǔn)電壓，峰峰值輸入范圍為10 V，因此LSB等于：

來自稱重傳感器的10 mV p-p滿量程信號(hào)在ADC中產(chǎn)生3.75 V p-p信號(hào)，約為ADC量程的38%。

在連接稱重傳感器（無負(fù)載）的情況下，獲取7個(gè)樣本集，每個(gè)樣本集包含500個(gè)樣本。計(jì)算每個(gè)樣本集的峰峰值代碼分布，然后求平均值以產(chǎn)生159個(gè)采樣點(diǎn)的代碼分布?；贏DC的3.75 V p-p滿量程輸入，這相當(dāng)于159 × 0.596 μV = 94.8 μV p-p噪聲。

因此，無噪聲采樣數(shù)等于：

整體系統(tǒng)的相應(yīng)無噪聲碼分辨率等于：

圖4顯示了500個(gè)樣本的ADC代碼圖（52.6秒、9.5 Hz數(shù)據(jù)速率）。注意，峰峰值分布約為160個(gè)代碼。

圖4. 500次采樣所測(cè)得的輸出碼，體現(xiàn)出噪聲的影響

圖5以直方圖形式顯示了同樣的數(shù)據(jù)。圖4和圖5顯示從AD7791回讀的實(shí)際（原始）轉(zhuǎn)換結(jié)果。在實(shí)際操作中，電子秤系統(tǒng)通常會(huì)采用數(shù)字后置濾波器。在后置濾波器中另外執(zhí)行均值計(jì)算會(huì)進(jìn)一步提高無噪聲采樣數(shù)，但數(shù)據(jù)速率會(huì)降低。

與其它高精度電路一樣，必須采用適當(dāng)?shù)牟季?、接地和去耦技術(shù)。欲了解更多信息，請(qǐng)參考指南MT-031——“實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團(tuán)”，以及指南MT-101——“去耦技術(shù)”。

與其它高精度電路一樣，必須采用適當(dāng)?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g(shù)。

圖5. 500次采樣所測(cè)得的直方圖，體現(xiàn)出噪聲的影響