AN-2506: 利用内置 PGA 的 24 位 Σ-Δ 型 ADC AD7192 实现精密电子秤设计

电路功能与优势

图 1 所示电路为采用 AD7192 构建的电子秤系统。AD7192 是一款超低噪声、低漂移、24 位 Σ-Δ 型转换器，集成 PGA。该器件将大多数系统模块置于芯片内，因此能够简化电子秤设计。该器件可在 4.7 Hz至 4.8 kHz 的完整输出数据速率范围内工作，并保持良好的性能，因此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。

电路描述

AD7192 提供一种集成式电子秤解决方案，可以直接与称重传感器相连。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 AD7192 的内置 PGA 放大。该 PGA 经过编程，以 128 的增益工作。AD7192 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、接地和两个输出连接外，6 线式称重传感器还有两个检测引脚。这些检测引脚分别与惠斯登电桥的高边和低边相连。因此，可精确测量该电桥上产生的电压。此外，AD7192 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AD7192 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，低边上也会有线路电阻引起的压降。

AD7192 具有单独的模拟电源和数字电源。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。微控制器使用3.3 V电源。因此，DVDD也由 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，可通过主电源或电池（如图 1 所示）供电。一个 5 V 低噪声稳压器用来确保 AD7192 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，在调节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AD7192 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，因此必须用低噪声稳压器产生供给 AD7192 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 AD7192 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，AD7192 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，AD7192 的有效值噪声为 11 nV。无噪声采样数等于

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

无噪声码分辨率等于

在实际操作中，称重传感器本身会引入一定的噪声。AD7192 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 重物置于负荷传感器上，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 14 nV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 4 显示重量方面的性能。相对于 500 个码，输出的变化量为 0.02 克。因此，该电子秤系统的精度达到 0.02 克。

上图所示为连接称重传感器之后，从 AD7192 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：本文的所有噪声规格均相对于 PGA 增益为 128而言。

AD7192 是一款高精度 ADC，适用于高端电子秤。其他合适的 ADC 有 AD7190 和 AD7191。 AD7190 与 AD7191 引脚兼容，但前者的有效值噪声略低。当输出数据速率均为 4.7 Hz 时，AD7190 的有效值噪声为 8.5 nV，AD7192 的有效值噪声为 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性能，并且功能较少，因此易于使用。AD7191 的有效值噪声与 AD7192 相同。

AD7799 适用于中端电子秤。当输出数据速率为4.17 Hz 时，其有效值噪声为 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，其有效值噪声为 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，有效值噪声为44 nV。与其他高精度电路一样，必须采用适当的布局、接地和去耦技术。欲了解更多信息，请参见 指南MT031“实现数据转换器的接地并解开 AGND 和DGND 的谜团” 和 指南 MT-101“去耦技术” 。