單芯片解決方案的高精度數(shù)字化電子秤你值得擁有

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(xiàn)容器的重量來(lái)確定裝滿(mǎn)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 (Whetstone bridge) 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(mǎn)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(mǎn)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(chǎng)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(chǎng)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 ADS1232/4 PGA 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。

PGA 之后是一個(gè)板上 24 位 Δ-Σ ADC，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 10 SPS 時(shí)，可同時(shí)抑制 50 Hz 和 60 Hz 線(xiàn)壓周期干擾，同時(shí)更高的速