CN0108: 利用内置PGA的20位Σ-Δ型ADC AD7781实现电子秤设计

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概览

电路笔记PDF, 11/2010 (pdf, 370 kB)
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优势和特点
  • 20位电子秤应用电路
  • 集成PGA可用于多种电子秤
  • 低功耗、低成本
  • 通常用于便携式电子秤应用
此电路中所用产品
    应用: 
  • 电子秤
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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

本电路为采用 AD7781构建的电子秤系统。AD7781是一款引脚可编程、低功耗、低漂移20位Σ-Δ转换器,内置PGA,采用内部时钟。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。该器件的典型功耗仅为330 μA,适合所有低功耗或电池供电应用。AD7781还提供省电模式,不执行转换时,用户可以切断对桥式传感器的供电,并使该器件进入省电模式,从而延长电池使用时间。

图1. 采用AD7781的电子秤系统(原理示意图:未显示所有连接)

电路描述

AD7781提供一种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,便可满足电磁屏蔽(EMC)要求。来自称重传感器的低电平信号由AD7781的内置PGA放大。该PGA经过编程,以128的增益工作。AD7781的转换结果通过USB接口送至PC,由PC将数字信息转换为重量。

图2. 采用AD7781的电子秤系统

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,AD7781具有一路差分模拟输入,接受差分基准电压。称重传感器差分SENSE线路与AD7781基准电压输入端相连,可构成一个比率式配置,不受电源激励电压的低频变化影响。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。

AD7781具有单独的模拟电源引脚和数字电源引脚。模拟电源和数字电源彼此独立,因此AVDD和DVDD可以处于不同的电位。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。3.3 V数字电源可利用ADP3303 (3.3 V)稳压器产生。

有多种方法可以为该电子秤系统供电,例如:利用主电源总线,或者利用ADP3303 (3.3 V)。用5 V电压激励电子秤时,必须使用主电源总线。用3.3 V电压激励称重传感器时,可以使用主电源总线或ADP3303 (3.3 V)。ADP3303 (3.3 V)是一款低噪声稳压器。此外,按照ADP3303 (3.3 V)数据手册的建议,在稳压器输出端配有降噪电容。为优化电磁屏蔽,稳压器输出先经过滤波,然后再给AD7781和称重传感器供电。由于电源或接地层上的任何噪声都会给系统带来噪声,导致电路性能降低,因此必须用低噪声稳压器产生供给AD7781和称重传感器的电源。

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AD7781采用5 V基准电压,则增益设置为128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,AD7781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10 Hz时,AD7781(C级)的均方根噪声为49 nV。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。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。AD7781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3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(使用5 V激励电压)。软件计算的系统噪声为50 nV(均方根值),相当于30,300无噪声采样数或14.9位无噪声码分辨率。

图3. 500次采样所测得的输出码,体现出噪声的影响
图4. 500次采样所测得的输出(单位为千克),体现出噪声的影响

图4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0.075克。因此,该电子秤系统的精度达到0.075克。

上图所示为连接称重传感器之后,从AD7781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:本文的噪声规格相对于PGA增益为128而言。

AD7781是一款低噪声、低功耗ADC,适合电子秤设计。其它合适的ADC有AD7798和AD7780。AD7780与AD7781的功能组合相同,但前者为24位ADC。AD7798的输出数据速率选择范围更宽。在4.17 Hz时,其均方根噪声为40 nV。

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。

AD7190、AD7192和AD7191适用于精密电子秤设计。当输出数据速率设置为4.7 Hz时,AD7190的均方根噪声为8.5 nV。它也具有较宽的输出数据速率范围。它的工作速率最高可达4.8 kHz,同时仍能保持良好的性能。AD7192与AD7190引脚兼容,但前者的均方根噪声略高。当输出数据速率为4.7 Hz时,AD7192的均方根噪声为11 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。

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
AD7781 20位、引脚可编程的超低功耗Σ−Δ型ADC AD7781BRUZ AD7781BRZ
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-AD7781EBZ Weigh Scale Design Using the AD7781 20-Bit Sigma-Delta ADC with Internal PGA $ 59.00 Yes
所示报价为单片价格。所列的美国报价单仅供预算参考,指美元报价(每片美国离岸价),如有修改,恕不另行通知。由于地区关税、商业税、汇率及手续费原因,国际报价可能不同。
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