高性能低成本电子秤的参考设计！

高性能低成本电子秤的参考设计！
  
引言
电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。大多数电子秤是以1:3,000或1:10,000的分辨率输出最终的称重值，使用12 bit~14 bit的模数转换器很容易慢足要求。然而，高精密检测的电子秤表明要达到这种分辨率，ADC的精度需要接近于20 bit。本文将讨论一些电子秤系统的技术指标以及设计和构建一个电子秤系统所需考虑的问题。设计中主要考虑峰峰值（PP）噪声分辨率、ADC的动态范围、增益漂移和滤波。我们使用作为评估板的电子秤参考设计，将来自实际称重传感器（又称作负荷传感器）的测量结果与来自稳定参考电压源的输入进行对比。

称重传感器
最普遍的电子秤应用桥式称重传感器实现，称重传感器的输出电压直接与放在其上的重量成比例。图1示出了典型的称重电桥－一个具有至少两个可变桥臂的4电阻结构的电桥，所称重量引起的电阻变化可产生一个叠加在2.5 V（电源电压的一半）共模电压之上的差分电压。典型的电桥通常使用300 的电阻器。
称重传感器本身具有单调性，其主要参数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。

灵敏度
称重传感器的电灵敏度为满负荷输出电压与激励电压的比值，典型值是2mV/V。当使用2 mV/V灵敏度和5 V激励电压的传感器时，其满度输出电压为10 mV。通常，为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围，应当仅使用满度范围的三分之二。因此满度输出电压应当大约为6 mV。当电子秤应用于工业环境时，在6 mV满度范围内测量微小的信号变化并非易事。
总误差
总误差是指输出误差和额定误差的比值。典型电子秤的总误差指标大约是0.02%，这一技术指标相当重要，它限制了使用理想信号调节电路所能达到的精确度，决定了ADC分辨率的选择以及放大电路和滤波器的设计。
漂移
称重传感器也产生与时间相关的漂移。图2示出24小时范围内测量的实际称重传感器漂移特性。测量结果表明（使用24 bit ADC测量的bit变化数量）具有125 LSB或大约7.5 ppm的总体漂移。

电子秤系统
一个电子秤系统最重要的参数是内部分辨率、ADC动态范围、无噪声分辨率、更新速率、系统增益和增益误差漂移。该系统必须设计成比率工作方式，所以它与电源电压波动无关。
内部分辨率
用户所见的典型电子秤系统（图3）的分辨率范围最低为1：3,000，最高达1:10,000。LCD显示器上能看到的这种分辨率通常称作外部分辨率。电子秤系统的内部分辨率必须至少应高于外部分辨率一个数量级。实际上，某些标准规定系统的内部分辨率应该优于外部分辨率的许多倍。
ADC动态范围
在使用标准高分辨率ADC的电子秤应用中，不太可能用ADC的整个满度范围。在图1所示的例子中，称重传感器的电源电压是5V，满度输出是10 mV，其线性范围是6 mV。当模拟前端使用增益为128的电路时，ADC输入的满度将是768 mV。如果使用标准的2.5 V参考电压，则仅用了ADC动态范围的30%。
如果电子秤的内部分辨率需要1:200,000的精度以达到770 mV的满度范围，ADC需要3倍~4倍的分辨率。如果内部分辨率是1:800,000，那么ADC要求达19 bit~20 bit的精度。
增益和失调漂移
工业电子秤系统通常工作在50 C的条件下。设计工程师们必须考虑在超过室温的条件下系统的精度。因为随温度变化的增益漂移可能是误差的主要来源。因此，设计电子秤时选择一款具有低增益漂移的ADC非常重要。
但失调漂移并不是主要的考虑因素。大多数∑-△ADC都具有内部斩波模式，使得∑-△ADC 具有较低的失调漂移和较好的抗1/f噪声干扰能力，这对于设计师很重要。
无噪声分辨率
当人们阅读产品技术资料时，一个普遍性的错误是没有注意到将噪声定义为有效值（RMS）噪声还是峰峰值(p-p）噪声。在电子秤应用中，最重要的技术指标是p-p噪声，它决定了无噪声编码分辨率。 ADC的无噪声编码分辨率是指超过这个位（bit）数它就不能清楚分辨个别编码的分辨率，由于存在有效输入噪声，所有ADC都有这种噪声。这种噪声可以用RMS值表示，通常是以LSB为单位的一个数值。将RMS噪声乘以6.6(包含了分布中99.9%的值)便可转换成等效的峰峰值噪声。
更新速率
系统的无噪声分辨率取决于ADC的更新速率。在电子秤系统中，设计工程师需要权衡使用最低的更新速率，在最低更新速率时ADC能够以刷新LCD显示器所需的输出数据速率进行采样。对于高端电子秤系统，一般使用10 Hz的ADC更新速率。