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

CN0108 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”。 有关本电路笔记的完整设计支持文件包，请访问以下网址：http://www.analog.com/CN0108-DesignSupport. 除外部称重传感器和PC外，图1所示电路均包含在AD7780评估板(EVAL-AD7781EBZ)上。 与评估板的接口通过标准USB连接器J1进行。J1用于将评估板连接到PC的USB端口。AD7781评估板附带标准USB连接器线缆，通过该线缆可将评估板与PC的USB端口连接起来。评估板通过USB连接器供电，因此无需外部电源，但使用外部电源更好。外部电源可通过J2连接。 设备要求 除外部称重传感器外，只需要EVAL-AD7781EBZ评估板和运行Windows 2000、Windows XP或Windows Vista（32位）的PC。本电路笔记所示结果是采用Tedea Huntleigh 505H-0002-F070称重传感器获得的。该称重传感器未附带评估板，客户须向制造商购买。 开始使用 EVAL-AD7781EBZ评估板附带一片CD，其中的软件可安装在标准PC上，用来控制AD7781。软件通过评估板附送的USB线缆与AD7781通信。利用该软件，用户可以从AD7781读取转换数据。数据可从AD7781读取并显示出来，或加以存储以供日后分析。 请先使用AD7781评估板附送的CD安装AD7781评估板软件，再将评估板连接到PC。详情参见用户指南UG-079。 功能框图 本电路笔记的图1所示为测试设置的基本功能框图。 设置与测试 关于AD7781评估板设置和测试的完整说明，请参阅用户指南UG-079。 安装软件之后，按照UG-079的表1所示设置适当的链路（跳线），配置AD7781评估板以使用外部称重传感器。务必先设置链路，再给评估板通电。 称重传感器连接到评估板接头J4。电子秤演示的操作参见UG-079。 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。 图2. 采用AD7781的电子秤系统   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 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。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。 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   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。 CN0108 利用内置PGA的20位Σ-Δ型ADC AD7781实现电子秤设计 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）   CN0108 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 CN0108 | circuit note and reference circuit info 利用内置PGA的20位Σ-Δ型ADC AD7781实现电子秤设计 | Analog Devices

• 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

(analog)