ADS1232和ADS1234：針對(duì)電子秤的全套前端解決方案

ADS1232和ADS1234均為德州儀器(TI)推出的橋接傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。為了更好地了解這些ADC，讓我們首先來(lái)了解一下目標(biāo)應(yīng)用：電子秤。電子秤的應(yīng)用范圍及數(shù)量正日益增長(zhǎng)。例如，商用電子秤以重量來(lái)記錄商品的價(jià)格。在運(yùn)輸方面，用電子秤來(lái)核實(shí)運(yùn)輸貨物的重量。計(jì)算盤(pán)通過(guò)監(jiān)控包裝裝配線容器的重量來(lái)確定裝滿容器的時(shí)間，科學(xué)用秤則用來(lái)在實(shí)驗(yàn)期間提供重量的精確度分析。

無(wú)論是何種應(yīng)用，所有這些不同類(lèi)型電子秤的核心都是一個(gè)高精度數(shù)字化過(guò)程，即將被測(cè)量物體的重量轉(zhuǎn)換成一個(gè)可以顯示或者可以進(jìn)行數(shù)據(jù)資料記錄的數(shù)字值。盡管將重量轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)有多種方法，但最為常用的方法也許是采用一個(gè)配置為惠斯通電橋(Whetstonebridge)的阻性負(fù)載單元。圖1顯示了一個(gè)橋接結(jié)構(gòu)，在該橋接中，其中一個(gè)電阻的值會(huì)因施加的重量不同而不同。根據(jù)該橋接的不同結(jié)構(gòu)，當(dāng)施加重量時(shí)會(huì)有更多電阻器的值可能會(huì)發(fā)生改變。不管怎樣，可以在該橋接的頂部和底部應(yīng)用一個(gè)激發(fā)電壓。在中間節(jié)點(diǎn)上，以差動(dòng)電壓的形式對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。


圖1惠斯通電橋阻性負(fù)載單元

設(shè)計(jì)電子秤時(shí)面臨的挑戰(zhàn)是：如何對(duì)電阻橋接產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行高精度測(cè)量，這是因?yàn)樵撔盘?hào)通常很小。負(fù)載單元通常由輸出電壓來(lái)確定，該輸出電壓是在施加負(fù)載單元最大額定重量時(shí)為1V激發(fā)電壓產(chǎn)生的。規(guī)格以單位mV/V來(lái)確定。例如，由5V電壓激發(fā)的4mV/V負(fù)載單元所具有的滿量程輸出電壓僅為20mV。請(qǐng)記住，這是最大輸出電壓。為了確定數(shù)字轉(zhuǎn)換器要求的精確度，該橋接的滿量程電壓必須除以理想的秤精度（其通常以計(jì)數(shù)來(lái)表示）。假設(shè)為同樣的4mV/V負(fù)載單元由5V電壓激發(fā)，則該秤要求有一個(gè)20,000精度的計(jì)數(shù)。反過(guò)來(lái)，這就要求數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠?qū)?4mV/V)(5V)/20,000=1000nV的信號(hào)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。

那么，讓我們來(lái)進(jìn)行更具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)吧！為了獲得優(yōu)異的電子秤設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)讀取必須極其穩(wěn)定。也就是說(shuō)，不能存在由于噪聲干擾而出現(xiàn)代碼之間閃爍或切換。這一要求對(duì)數(shù)字轉(zhuǎn)換器又提出了更多的要求，從而需要比電子秤向用戶(hù)報(bào)告的數(shù)值更為精確的內(nèi)部精度。具有比顯示值高出10倍的內(nèi)部精確度并不罕見(jiàn)。如果是在前面的負(fù)載單元實(shí)例中，則要求具有100nV的內(nèi)部精度！

假設(shè)存在極小的橋接傳感器信號(hào)且需要極高精度的測(cè)量，許多電子秤廠商過(guò)去一直使用一種極低噪聲增益級(jí)在數(shù)字化之前放大來(lái)自橋接的信號(hào)。許多電子秤上重量變化相對(duì)較慢的情況下，增益級(jí)帶寬通常并不是一個(gè)大問(wèn)題。盡管如此，關(guān)鍵是增益級(jí)能夠在溫度和時(shí)間變化中均要非常穩(wěn)定。大多數(shù)電子秤只需要廠方或用戶(hù)定期校準(zhǔn)即可。由PGA時(shí)間或者溫度漂移引起的任何增益改變，都會(huì)對(duì)電子秤的精確度產(chǎn)生負(fù)面影響。實(shí)際上，在一些高端電子秤設(shè)計(jì)中，增益級(jí)在時(shí)間和溫度變化中的穩(wěn)定性就決定了整個(gè)電子秤的規(guī)格。通常，PGA后面的一個(gè)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)會(huì)對(duì)放大電壓進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。在被測(cè)量信號(hào)緩慢地不斷變化并需要極高精度的情況下，則常常使用Δ-Σ拓?fù)鋪?lái)實(shí)施ADC。由于使用了增益級(jí)，因此ADC對(duì)于時(shí)間和溫度的穩(wěn)定性就變得非常重要，以免制約整體性能。

此外，由于可以將橋接激發(fā)電壓用作參考電壓（參見(jiàn)圖2），所以ADC應(yīng)能進(jìn)行“比例計(jì)量”測(cè)量。來(lái)自橋接的輸出信號(hào)與帶有衰減系數(shù)的激發(fā)電壓成正比例關(guān)系，而這種衰減系數(shù)由施加于負(fù)載單元的重量來(lái)決定。通過(guò)使用ADC以“比例計(jì)量”的方式對(duì)負(fù)載單元信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，也就是說(shuō)將激發(fā)電壓作為ADC的參考電壓可以抵消該激發(fā)電壓絕對(duì)值的變化。但這種做法反過(guò)來(lái)又會(huì)降低電子秤設(shè)計(jì)的靈敏度與穩(wěn)健性。


圖2利用一個(gè)ADC對(duì)負(fù)載單元的比例計(jì)量測(cè)量

考慮到這些要求，TI開(kāi)發(fā)出了ADS1232（雙通道輸入）和ADS1234（四通道輸入），為電子秤設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的高性能、低成本、單芯片橋接傳感器輸出數(shù)字化解決方案。ADS1232和ADS1234均在一個(gè)電子秤前端（見(jiàn)圖3）中集成了所有的關(guān)鍵模塊，唯一的區(qū)別在于他們所支持的輸入通道數(shù)目有所不同。一種可編程增益放大器(PGA)允許用戶(hù)選擇增益系數(shù)為1、2、64或128的增益。當(dāng)橋接被直接連至ADS1232/4時(shí)，才使用增益系數(shù)為64和128的增益。增益系數(shù)1和2的增益允許在橋接和ADS1232/4之間使用一個(gè)可選外部增益級(jí)。運(yùn)用TI新型先進(jìn)高性能、亞微米混合信號(hào)CMOS工藝制造出來(lái)的ADS1232/4PGA是一款創(chuàng)新型解決方案，其具有最小化低頻噪聲和在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持最小失調(diào)漂移的特性。PGA中使用的高精度板上電阻器能夠在整個(gè)溫度與時(shí)間范圍內(nèi)提供出色的增益穩(wěn)定性。


圖3ADS1232/4結(jié)構(gòu)圖

PGA之后是一個(gè)板上24位Δ-ΣADC，其允許使用5V參考電壓，以支持比例計(jì)量測(cè)量。該ADC的板上數(shù)字濾波器提供了一個(gè)10采樣/秒(SPS)或80SPS的可選數(shù)據(jù)速率。當(dāng)采用10SPS時(shí)，可同時(shí)抑制50Hz和60Hz線壓周期干擾，同時(shí)更高的速度帶來(lái)更快的更新。這對(duì)于那些需要快速響應(yīng)的電子秤或者要求高數(shù)據(jù)速率的后處理算法而言非常有用。

盡管在需要時(shí)可以使用一個(gè)外部時(shí)鐘源，但是ADS1232/4的高精度板上振蕩器無(wú)需使用一個(gè)外部振蕩器或晶振即可工作。ADS1232/4的所有控制均由一些專(zhuān)門(mén)引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)消除對(duì)所有寄存器進(jìn)行編程的需要，這種架構(gòu)極大地簡(jiǎn)化了軟件開(kāi)發(fā)。最后，通過(guò)一種簡(jiǎn)單的只讀接口可以輕松檢索ADC的數(shù)據(jù)輸出。由于TI混合信號(hào)工藝的高密度容量，ADS1232能夠適合于24引腳超薄緊縮型小外形封裝(TSSOP)，而ADS1234則采用28引腳TSSOP。

為了更好地說(shuō)明ADS1232/4的性能，圖4顯示了一個(gè)10秒間隔的輸出讀數(shù)，其數(shù)據(jù)速率為10(SPS)，PGA增益系數(shù)為128，參考電壓為5V橋接激發(fā)電壓。左軸以最低位(LSB)為單位顯示了ADS1232/4的輸出讀數(shù)，而右軸則以nV為單位顯示了該輸出讀取。均方根(rms)噪聲僅為17nV，峰至峰噪聲僅為110nV。回過(guò)頭再去看一下前面提到的那個(gè)5V激發(fā)電壓的4mV/V負(fù)載單元實(shí)例，ADS1232在同該負(fù)載單元一起使用時(shí)，會(huì)提供超過(guò)180,000計(jì)數(shù)的內(nèi)部精度，并且無(wú)需額外的組件或者輸出數(shù)據(jù)的后處理。ADS1232/4的噪聲將會(huì)以數(shù)據(jù)速率、PGA和參考電壓函數(shù)的形式而變化，注意到這一點(diǎn)非常重要。您可以登錄網(wǎng)站www.ti.com獲得有關(guān)ADS1232/4的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，其中提供的噪聲列表顯示了不同設(shè)置情況下的性能。


圖4ADS1232噪聲性能

作為對(duì)電子秤設(shè)計(jì)人員的一種幫助，TI還開(kāi)發(fā)出一種使用ADS1232的電子秤參考設(shè)計(jì)，即ADS1232REF。圖5顯示了其結(jié)構(gòu)圖。ADS1232作為該設(shè)計(jì)的核心，直接將電子秤負(fù)載單元信號(hào)數(shù)字化。MSP430微控制器可收集ADS1232數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)LCD顯示，對(duì)來(lái)自交換機(jī)的用戶(hù)輸入進(jìn)行譯碼，并通過(guò)一個(gè)USB連接同一臺(tái)可選PC進(jìn)行通信。圖6突出顯示了該電路板的幾個(gè)關(guān)鍵元件。用戶(hù)將負(fù)載單元連接至指示的連接器。跳線可以在ADS1232輸入的前面繞過(guò)可選RC濾波器?？梢詫⒖茧妷涸谝粋€(gè)外部激發(fā)電壓或模擬電源之間進(jìn)行切換。電源由一個(gè)外部DC電源提供。在獨(dú)立模式下，主控制開(kāi)關(guān)控制整個(gè)運(yùn)行。然后，MSP430將用戶(hù)選擇的數(shù)據(jù)顯示在LCD上。在PC模式下，USB接口允許使用一臺(tái)PC來(lái)控制運(yùn)行，并將數(shù)據(jù)輸出顯示在PC的顯示器上。如欲了解有關(guān)ADS1232REF的更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)TI的網(wǎng)站下載《用戶(hù)指南》。


圖5ADS1232REF電子秤參考設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖


圖6ADS1232REF電子秤參考設(shè)計(jì)

總之，在各種應(yīng)用中電子秤正變得越來(lái)越流行。負(fù)載單元也許是最為常見(jiàn)的重量傳感器，其輸出的信號(hào)極小，要將這種小信號(hào)精確地測(cè)量出來(lái)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。ADS1232和ADS1234提供了單芯片解決方案，使電子秤設(shè)計(jì)人員可以輕松快速地開(kāi)發(fā)出一種小型低成本高性能的電子秤。ADS1232REF參考設(shè)計(jì)允許用戶(hù)使用自己的負(fù)載單元來(lái)對(duì)ADS1232進(jìn)行性能評(píng)估，并作為完整電子秤設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。