针对电子秤的全套前端解决方案

2008-07-08 15:32:12来源: EDN-CHINA 关键字:电子秤  重复测量  小外形封装  可编程增益放大器  温度漂移  解决方案  桥接  ADC

  ADS1232和 ADS1234均为德州仪器 (TI) 推出的桥接传感器模数转换器 (ADC)。为了更好地了解这些 ADC,让我们首先来了解一下目标应用:电子秤。电子秤的应用范围及数量正日益增长。例如,商用电子秤以重量来记录商品的价格。在运输方面,用电子秤来核实运输货物的重量。计算盘通过监控包装装配线容器的重量来确定装满容器的时间,科学用秤则用来在实验期间提供重量的精确度分析。

  无论是何种应用,所有这些不同类型电子秤的核心都是一个高精度数字化过程,即将被测量物体的重量转换成一个可以显示或者可以进行数据资料记录的数字值。尽管将重量转换为电子信号有多种方法,但最为常用的方法也许是采用一个配置为惠斯通电桥 (Whetstone bridge) 的阻性负载单元。图 1 显示了一个桥接结构,在该桥接中,其中一个电阻的值会因施加的重量不同而不同。根据该桥接的不同结构,当施加重量时会有更多电阻器的值可能会发生改变。不管怎样,可以在该桥接的顶部和底部应用一个激发电压。在中间节点上,以差动电压的形式对输出信号进行测量。

  

  图 1 惠斯通电桥阻性负载单元

  设计电子秤时面临的挑战是:如何对电阻桥接产生的信号进行高精度测量,这是因为该信号通常很小。负载单元通常由输出电压来确定,该输出电压是在施加负载单元最大额定重量时为 1V 激发电压产生的。规格以单位 mV/V 来确定。例如,由 5V 电压激发的 4mV/V 负载单元所具有的满量程输出电压仅为 20mV。请记住,这是最大输出电压。为了确定数字转换器要求的精确度,该桥接的满量程电压必须除以理想的秤精度(其通常以计数来表示)。假设为同样的 4mV/V 负载单元由 5V 电压激发,则该秤要求有一个 20,000 精度的计数。反过来,这就要求数字转换器能够对 (4mV/V)(5V)/20,000 = 1000nV 的信号进行重复测量

  那么,让我们来进行更具挑战性的设计吧!为了获得优异的电子秤设计,数据读取必须极其稳定。也就是说,不能存在由于噪声干扰而出现代码之间闪烁或切换。这一要求对数字转换器又提出了更多的要求,从而需要比电子秤向用户报告的数值更为精确的内部精度。具有比显示值高出10倍的内部精确度并不罕见。如果是在前面的负载单元实例中,则要求具有 100nV 的内部精度!

  假设存在极小的桥接传感器信号且需要极高精度的测量,许多电子秤厂商过去一直使用一种极低噪声增益级在数字化之前放大来自桥接的信号。许多电子秤上重量变化相对较慢的情况下,增益级带宽通常并不是一个大问题。尽管如此,关键是增益级能够在温度和时间变化中均要非常稳定。大多数电子秤只需要厂方或用户定期校准即可。由 PGA 时间或者温度漂移引起的任何增益改变,都会对电子秤的精确度产生负面影响。实际上,在一些高端电子秤设计中,增益级在时间和温度变化中的稳定性就决定了整个电子秤的规格。通常, PGA 后面的一个高精度模数转换器 (ADC) 会对放大电压进行数字转换。在被测量信号缓慢地不断变化并需要极高精度的情况下,则常常使用 Δ-Σ 拓扑来实施 ADC。由于使用了增益级,因此 ADC 对于时间和温度的稳定性就变得非常重要,以免制约整体性能。

  此外,由于可以将桥接激发电压用作参考电压(参见图 2),所以 ADC 应能进行“比例计量”测量。来自桥接的输出信号与带有衰减系数的激发电压成正比例关系,而这种衰减系数由施加于负载单元的重量来决定。通过使用 ADC 以“比例计量”的方式对负载单元信号进行测量,也就是说将激发电压作为 ADC 的参考电压可以抵消该激发电压绝对值的变化。但这种做法反过来又会降低电子秤设计的灵敏度与稳健性。

  

  图 2 利用一个 ADC 对负载单元的比例计量测量

  考虑到这些要求,TI 开发出了 ADS1232(双通道输入)和 ADS1234(四通道输入),为电子秤设计人员提供了一个简单的高性能、低成本、单芯片桥接传感器输出数字化解决方案。ADS1232 和 ADS1234 均在一个电子秤前端(见图 3)中集成了所有的关键模块,唯一的区别在于他们所支持的输入通道数目有所不同。一种可编程增益放大器 (PGA) 允许用户选择增益系数为 1、2、64 或 128 的增益。当桥接被直接连至 ADS1232/4 时,才使用增益系数为 64 和 128 的增益。增益系数 1 和 2 的增益允许在桥接和 ADS1232/4 之间使用一个可选外部增益级。运用 TI 新型先进高性能、亚微米混合信号 CMOS 工艺制造出来的 ADS1232/4 PGA 是一款创新型解决方案,其具有最小化低频噪声和在整个温度范围内保持最小失调漂移的特性。PGA 中使用的高精度板上电阻器能够在整个温度与时间范围内提供出色的增益稳定性。

  PGA 之后是一个板上 24 位 Δ-Σ ADC,其允许使用 5V 参考电压,以支持比例计量测量。该 ADC 的板上数字滤波器提供了一个 10 采样/秒 (SPS) 或 80SPS 的可选数据速率。当采用 10 SPS 时,可同时抑制 50 Hz 和 60 Hz 线压周期干扰,同时更高的速度带来更快的更新。这对于那些需要快速响应的电子秤或者要求高数据速率的后处理算法而言非常有用。

  尽管在需要时可以使用一个外部时钟源,但是 ADS1232/4 的高精度板上振荡器无需使用一个外部振荡器或晶振即可工作。ADS1232/4 的所有控制均由一些专门引脚来实现。通过消除对所有寄存器进行编程的需要,这种架构极大地简化了软件开发。最后,通过一种简单的只读接口可以轻松检索 ADC 的数据输出。由于 TI 混合信号工艺的高密度容量,ADS1232 能够适合于 24 引脚超薄紧缩型小外形封装 (TSSOP),而 ADS1234则采用 28 引脚 TSSOP。

  为了更好地说明 ADS1232/4 的性能,图 4 显示了一个 10 秒间隔的输出读数,其数据速率为 10 (SPS),PGA 增益系数为 128,参考电压为 5V 桥接激发电压。左轴以最低位 (LSB) 为单位显示了 ADS1232/4 的输出读数,而右轴则以 nV 为单位显示了该输出读取。均方根 (rms) 噪声仅为 17nV,峰至峰噪声仅为 110nV。回过头再去看一下前面提到的那个 5V 激发电压的 4mV/V 负载单元实例,ADS1232 在同该负载单元一起使用时,会提供超过 180,000 计数的内部精度,并且无需额外的组件或者输出数据的后处理。ADS1232/4 的噪声将会以数据速率、PGA 和参考电压函数的形式而变化,注意到这一点非常重要。您可以登录网站 www.ti.com获得有关 ADS1232/4 的产品说明书,其中提供的噪声列表显示了不同设置情况下的性能。

  

  图 4 ADS1232 噪声性能

  作为对电子秤设计人员的一种帮助,TI 还开发出一种使用 ADS1232 的电子秤参考设计,即 ADS1232REF。图 5 显示了其结构图。ADS1232 作为该设计的核心,直接将电子秤负载单元信号数字化。MSP430 微控制器可收集 ADS1232 数据,驱动 LCD 显示,对来自交换机的用户输入进行译码,并通过一个 USB 连接同一台可选 PC 进行通信。图 6 突出显示了该电路板的几个关键元件。用户将负载单元连接至指示的连接器。跳线可以在 ADS1232 输入的前面绕过可选 RC 滤波器。可以将参考电压在一个外部激发电压或模拟电源之间进行切换。电源由一个外部 DC 电源提供。在独立模式下,主控制开关控制整个运行。然后,MSP430 将用户选择的数据显示在 LCD 上。在 PC 模式下,USB 接口允许使用一台 PC 来控制运行,并将数据输出显示在 PC 的显示器上。如欲了解有关 ADS1232REF 的更多详情,敬请访问 TI 的网站下载《用户指南》。

  

  

  图 5 ADS1232REF 电子秤参考设计结构图

  

  图 6 ADS1232REF 电子秤参考设计

  总之,在各种应用中电子秤正变得越来越流行。负载单元也许是最为常见的重量传感器,其输出的信号极小,要将这种小信号精确地测量出来是一个巨大的挑战。ADS1232 和 ADS1234 提供了单芯片解决方案,使电子秤设计人员可以轻松快速地开发出一种小型低成本高性能的电子秤。ADS1232REF 参考设计允许用户使用自己的负载单元来对 ADS1232 进行性能评估,并作为完整电子秤设计的基础。

关键字:电子秤  重复测量  小外形封装  可编程增益放大器  温度漂移  解决方案  桥接  ADC

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2008/0708/article_1067.html
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