CN0155: 利用内置PGA和交流激励的24位Σ-Δ型ADC AD7195实现精密电子秤设计

精确设计,严谨验证,即取即用。了解更多

概览

电路笔记PDF, 03/2011 (pdf, 383 kB)
下载英文版PDF, 03/2011 (pdf,  238kB)
优势和特点
  • 单电源供电的电子秤系统
  • 通过AC激励驱动电桥
  • 处理最高为4.8kHz的快速数据速率
  • 集成PGA允许使用多种压力传感器
  • 高精度压力应用
此电路中所用产品
    应用: 
  • 电子秤
设计资源
设计和集成文件
  • Schematic
  • Bill of Materials
  • Gerber Files
  • PAD Files
  • Assembly Drawing
Download Design Files (1662 kB)
评估硬件
Part numbers with "Z" indicate RoHS Compliance.
评估此款电路所需的评估板
  • EVAL-AD7195EBZ ($ 59.00) Precision Weigh Scale Design Using a 24-Bit Sigma-Delta ADC with Internal PGA and AC Excitation
查看库存和订购
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

该电路为采用 AD7195构建的交流激励电子秤系统。AD7195是一款超低噪声、低漂移24位Σ-Δ ADC,内置PGA和驱动器来实现称重传感器的交流激励。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,AD7195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,以及较高速电子秤系统。

图1. 采用内置交流激励的AD7195的电子秤系统(简化原理图,未显示所有连接)

电路描述

利用交流激励,即可使用外部MOSFET来切换称重传感器的激励电压极性。然后对相邻值求平均值,以消除直流感应偏差。AD7195包含内部逻辑来控制外部MOSFET的开关。来自AD7195的驱动信号经过精确定时,非重叠,可确保在切换桥式驱动电压的极性时不会发生短路。上拉和下拉电阻1 MΩ连接到ACX2和ACX2,防止上电时短路。

AD7195提供一种集成式交流激励称重传感器解决方案。AD7195可接受反向基准电压,当称重传感器的激励电压反向时,就需要这种特性。AD7195将交流激励与转换保持同步,然后求平均值。只需用到很少的外部元件。除了MOSFET晶体管外,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AD7195的内置PGA放大。该PGA经过编程,以128的增益工作。AD7195的转换结果通过USB接口送至PC。使用Labview软件可将转换结果转换为重量并显示。

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,AD7195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AD7195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,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引脚EXC +和EXC -相连。这种配置中,由于存在线路电阻,EXC +/ EXC –引脚与SENSE+/SENSE-之间将有压降,因此系统不是完全比率式。

图2. 采用AD7195的电子秤系统设置

AD7195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范围内的任意电压供电。

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AD7195和称重传感器获得低噪声电源。ADP3303 (5 V)是一款低噪声调节器,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,在调节器输出端配有降噪电容。为优化电磁屏蔽性能,调节器输出先经过滤波,然后再给AD7195和称重传感器供电。3.3 V数字电源可利用ADP3303 (3.3 V)调节器产生。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,因此必须用低噪声调节器产生供给AD7195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AD7195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±40mV。相对于称重传感器的满量程信号(10 mV)而言,AD7195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。

当一阶滤波器陷波设置值为4.7Hz时,AD7195的均方根噪声为6 nV,峰峰值噪声为40 nV。当使用交流激励时(选中sinc4滤波器),这相当于1.17 Hz的输出数据速率。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。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10nV(均方根值)和51nV(峰峰值),相当于196,000无噪声数或17.5位无噪声分辨率(根据测得的峰峰值噪声计算得出)。

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0.01克。因此,该电子秤系统的精度达到0.01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AD7195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。

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”

常见变化

有关其他无需交流激励的电子秤电路,请参加电路笔记CN-0102CN-0107CN-0108CN-0118CN-0119

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD7195 4.8 kHz、超低噪声、24位、Σ-Δ型ADC,内置PGA和交流激励 AD7195BCPZ
ADP3303 高精度ANYCAP® 200 MA低压差线性稳压器 ADP3303ARZ-5 ADP3303ARZ-3.3
评估硬件
评估此款电路所需的评估板
产品型号 描述 报价 RoHS 查看库存/
购买/样片
EVAL-AD7195EBZ Precision Weigh Scale Design Using a 24-Bit Sigma-Delta ADC with Internal PGA and AC Excitation $ 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。
沪ICP备09046653号
评价这款电路 X
content here.
content here.

评价这款电路

关闭