高性能低成本電子秤的參考設計！

高性能低成本電子秤的參考設計！
  
引言
電子秤向提高精度和降低成本方向發展的趨勢引起了對低成本、高性能模擬信號處理器件需求的增加。大多數電子秤是以1:3,000或1:10,000的分辨率輸出最終的稱重值，使用12 bit~14 bit的模數轉換器很容易慢足要求。然而，高精密檢測的電子秤表明要達到這種分辨率，ADC的精度需要接近于20 bit。本文將討論一些電子秤系統的技術指標以及設計和構建一個電子秤系統所需考慮的問題。設計中主要考慮峰峰值（PP）噪聲分辨率、ADC的動態范圍、增益漂移和濾波。我們使用作為評估板的電子秤參考設計，將來自實際稱重傳感器（又稱作負荷傳感器）的測量結果與來自穩定參考電壓源的輸入進行對比。

稱重傳感器
最普遍的電子秤應用橋式稱重傳感器實現，稱重傳感器的輸出電壓直接與放在其上的重量成比例。圖1示出了典型的稱重電橋－一個具有至少兩個可變橋臂的4電阻結構的電橋，所稱重量引起的電阻變化可產生一個疊加在2.5 V（電源電壓的一半）共模電壓之上的差分電壓。典型的電橋通常使用300 的電阻器。
稱重傳感器本身具有單調性，其主要參數指標是靈敏度、總誤差和溫度漂移。

靈敏度
稱重傳感器的電靈敏度為滿負荷輸出電壓與激勵電壓的比值，典型值是2mV/V。當使用2 mV/V靈敏度和5 V激勵電壓的傳感器時，其滿度輸出電壓為10 mV。通常，為了使用稱重傳感器線性度最好的一段稱重范圍，應當僅使用滿度范圍的三分之二。因此滿度輸出電壓應當大約為6 mV。當電子秤應用于工業環境時，在6 mV滿度范圍內測量微小的信號變化并非易事。
總誤差
總誤差是指輸出誤差和額定誤差的比值。典型電子秤的總誤差指標大約是0.02%，這一技術指標相當重要，它限制了使用理想信號調節電路所能達到的精確度，決定了ADC分辨率的選擇以及放大電路和濾波器的設計。
漂移
稱重傳感器也產生與時間相關的漂移。圖2示出24小時范圍內測量的實際稱重傳感器漂移特性。測量結果表明（使用24 bit ADC測量的bit變化數量）具有125 LSB或大約7.5 ppm的總體漂移。

電子秤系統
一個電子秤系統最重要的參數是內部分辨率、ADC動態范圍、無噪聲分辨率、更新速率、系統增益和增益誤差漂移。該系統必須設計成比率工作方式，所以它與電源電壓波動無關。
內部分辨率
用戶所見的典型電子秤系統（圖3）的分辨率范圍最低為1：3,000，最高達1:10,000。LCD顯示器上能看到的這種分辨率通常稱作外部分辨率。電子秤系統的內部分辨率必須至少應高于外部分辨率一個數量級。實際上，某些標準規定系統的內部分辨率應該優于外部分辨率的許多倍。
ADC動態范圍
在使用標準高分辨率ADC的電子秤應用中，不太可能用ADC的整個滿度范圍。在圖1所示的例子中，稱重傳感器的電源電壓是5V，滿度輸出是10 mV，其線性范圍是6 mV。當模擬前端使用增益為128的電路時，ADC輸入的滿度將是768 mV。如果使用標準的2.5 V參考電壓，則僅用了ADC動態范圍的30%。
如果電子秤的內部分辨率需要1:200,000的精度以達到770 mV的滿度范圍，ADC需要3倍~4倍的分辨率。如果內部分辨率是1:800,000，那么ADC要求達19 bit~20 bit的精度。
增益和失調漂移
工業電子秤系統通常工作在50 C的條件下。設計工程師們必須考慮在超過室溫的條件下系統的精度。因為隨溫度變化的增益漂移可能是誤差的主要來源。因此，設計電子秤時選擇一款具有低增益漂移的ADC非常重要。
但失調漂移并不是主要的考慮因素。大多數∑-△ADC都具有內部斬波模式，使得∑-△ADC 具有較低的失調漂移和較好的抗1/f噪聲干擾能力，這對于設計師很重要。
無噪聲分辨率
當人們閱讀產品技術資料時，一個普遍性的錯誤是沒有注意到將噪聲定義為有效值（RMS）噪聲還是峰峰值(p-p）噪聲。在電子秤應用中，最重要的技術指標是p-p噪聲，它決定了無噪聲編碼分辨率。 ADC的無噪聲編碼分辨率是指超過這個位（bit）數它就不能清楚分辨個別編碼的分辨率，由于存在有效輸入噪聲，所有ADC都有這種噪聲。這種噪聲可以用RMS值表示，通常是以LSB為單位的一個數值。將RMS噪聲乘以6.6(包含了分布中99.9%的值)便可轉換成等效的峰峰值噪聲。
更新速率
系統的無噪聲分辨率取決于ADC的更新速率。在電子秤系統中，設計工程師需要權衡使用最低的更新速率，在最低更新速率時ADC能夠以刷新LCD顯示器所需的輸出數據速率進行采樣。對于高端電子秤系統，一般使用10 Hz的ADC更新速率。