CN0102: 利用内置PGA的24位Σ-Δ型ADC AD7190实现精密电子秤设计

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电路笔记PDF, 11/2010 (pdf, 380 kB)
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优势和特点
  • 24位DAC,可处理最高4.8kHz的快速数据速率
  • 集成PGA允许使用多种传感器
  • 高精度压力应用
此电路中所用产品
    应用: 
  • 电子秤
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  • EVAL-AD7190EBZ ($ 59.00) Precision Weigh Scale Design Using the AD7190 24-Bit Sigma-Delta ADC with Internal PGA
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设备驱动
Software, such as C code and/or FPGA code, used to communicate with a component's digital interface.

电路功能与优势

本电路为电子秤系统,采用超低噪声、低漂移、内置PGA的24位Σ-Δ型ADC AD7190。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。

在4.7 Hz至4.8 kHz的完整输出数据速率范围内,AD7190均能保持良好的性能,可用于以较低速度工作的电子秤系统,以及料斗秤等较高速电子秤系统。

图1. 采用AD7190的电子秤系统(原理示意图:未显示所有连接)

电路描述

AD7190提供集成式电子秤解决方案,可以直接与称重传感器接口。只需在模拟输入端采用一些滤波器,在基准电压引脚上配置一些电容等外部元件,以满足电磁屏蔽(EMC)要求。来自称重传感器的低电平信号由AD7190的内置PGA放大。该PGA经过编程,以128的增益工作。AD7190的转换结果送至微控制器,将数字信息转换为重量并显示在LCD上。

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,AD7190具有差分模拟输入,接受差分基准电压。称重传感器差分SENSE线路与AD7190基准电压输入端相连,可构成一个比率式配置,既不受电源激励电压的低频变化影响,也无需精密基准电压源。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。

图2. 采用AD7190的电子秤系统设置

AD7190具有单独的模拟电源引脚和数字电源引脚。模拟部分必须采用5 V电源供电。数字电源独立于模拟电源,可以为2.7 V至5.25 V范围内的任意电压。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。

图3显示增益等于128时,AD7190在不同输出数据速率下的均方根噪声。此图显示,均方根噪声随着输出数据速率增加而增加。不过,在整个输出数据速率范围内,该器件均能保持良好的噪声性能。

图3. AD7190在不同输出数据速率下的均方根噪声

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AD7190采用5 V基准电压,则增益设置为128且器件配置为双极性工作模式时,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,AD7190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4.7 Hz时,AD7190的均方根噪声为8.5 nV。 无噪声采样数等于

Equation 1

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

Equation 2

无噪声分辨率等于

Equation 3

在实际操作中,称重传感器本身会引入一定的噪声。AD7190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4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。软件计算出的系统噪声为12 nV(均方根值)和88 nV(峰峰值),相当于113,600无噪声采样数或16.8位无噪声码分辨率。

图4. 500次采样所测得的输出码,显示出噪声的影响
图5. 500次采样所测得的输出(单位为克),显示出噪声的影响

图5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0.02克。因此,该电子秤系统的精度达到0.02克。

上图所示为连接负荷传感器之后,从AD7190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无噪声采样数,但数据速率会降低。

常见变化

注意:本文的所有噪声规格均相对于PGA增益为128而言。

AD7190是一款高精度ADC,适用于高端电子秤。其它合适的ADC有AD7192和AD7191。AD7192与AD7190引脚兼容,但前者的均方根噪声略高。当输出数据速率均为4.7 Hz时,AD7192的均方根噪声为11 nV,AD7190的均方根噪声为8.5 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。

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。

AD7798、AD7781和AD7780均适用于低端电子秤。AD7798与AD7799的功能组合相同。在4.17 Hz时,其均方根噪声为40 nV。AD7780和AD7781均有一路差分模拟输入,并且引脚可编程,输出数据速率可以为10 Hz和17.6 Hz,增益可设置为1或128。当输出数据速率为10 Hz时,均方根噪声为44 nV。

与其它高精度电路一样,必须采用适当的布局、接地和去耦技术。欲了解更多信息,请参考教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”,以及 教程MT-101——“去耦技术”

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD7190 内置PGA的4.8 KHZ、超低噪声、24位Σ-Δ型ADC AD7190BRUZ
ADP3303 高精度ANYCAP® 200 MA低压差线性稳压器 ADP3303ARZ-5 ADP3303ARZ-3.3
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EVAL-AD7190EBZ Precision Weigh Scale Design Using the AD7190 24-Bit Sigma-Delta ADC with Internal PGA $ 59.00 Yes
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