CN0118: 利用内置PGA的24位Σ-Δ型ADC AD7191实现精密电子秤设计

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概览

电路笔记PDF, 01/2014 (pdf, 214 kB)

优势和特点
  • 引脚可编程增益放大器
  • 简化从处理器写入软件
  • 24位压力应用电路
  • 集成PGA允许使用多种传感器
此电路中所用产品
    应用: 
  • 电子秤

电路功能与优势

本电路为采用AD7191构建的电子秤系统。AD7191是一款引脚可编程、低噪声、低漂移24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。它具有四种输出数据速率和四种增益设置,可利用专用引脚进行选择,这有助于简化与ADC的接口。

图1. 采用AD7191的电子秤系统(原理示意图,未显示所有连接)

电路描述

AD7191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AD7191的内置PGA放大。该PGA经过编程,以128的增益工作。AD7191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,因此可以精确测量电桥上产生的电压。此外,AD7191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AD7191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。

图2. 采用AD7191的电子秤系统

AD7191具有单独的模拟电源和数字电源。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。

有多种方法可以为该电子秤系统供电,例如:利用主电源或利用电池(如图1所示)供电。一个5 V低噪声稳压器用来确保AD7191和称重传感器获得低噪声电源。低噪声稳压器ADP3303 (5 V)用来产生5 V电源。虚线框内显示的滤波器网络用来确保系统获得低噪声AVDD。此外,按照ADP3303 (5 V)数据手册的建议,在稳压器输出端配有降噪电容。为优化电磁屏蔽性能,稳压器输出先经过滤波,然后再给AD7191和称重传感器供电。3.3 V数字电源可利用ADP3303 (3.3 V)稳压器产生。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AD7191和称重传感器的全部电源。

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AD7191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,AD7191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,AD7191的均方根噪声为15 nV。无噪声采样数等于

equation

在实际操作中,称重传感器本身会引入一定的噪声。AD7191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。软件计算的系统噪声为17 nV(均方根值)和98 nV(峰峰值),相当于102,000无噪声采样数或16.6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。

图4. 500次采样所测得的输出(单位为克),体现出噪声的影响

上图所示为连接称重传感器之后,从AD7191回读得到的实际转换结果。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。

AD7191是一款引脚可编程ADC,适用于高端电子秤。其它合适的ADC有 AD7190AD7192。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。

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。

AD7798AD7781AD7780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
AD7191 引脚可编程、超低噪声、24位、Σ-Δ型ADC,用于桥式传感器 AD7191BRUZ
ADP3303 高精度ANYCAP® 200 MA低压差线性稳压器 ADP3303ARZ-5 ADP3303ARZ-3.3
沪ICP备09046653号
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