电子秤所要求的精度在起初并不是很明显。其典型分辨率仅为1:—1:,所以模拟转换器看起来只需要12bit_14bit就够了，但是我们经过分析情况并不是这样，实际上至少需要20bitADC。现在我们来说一说电子秤系统的技术指标和设计考虑吧，也包括这里面的噪声、动态范围、失调漂移、增益漂移和滤波。
使用具有10,计数分辨率能够测量高达5kg重量的电子秤能够具有0.5g重量分辨率。正如在液晶显示器(LCD)上看到的,这种分辨率通常是指外部计数。为了确保满足外部计数精度,通常内部分辨率必须具有高于外部分辨率一个数量级的精度,有些标准规定内部计数精度比外部计数精度高20倍。在这种情况下,内部计数必须精确到是1:,。
称重传感器又称作负荷传感器，在大多数电子秤应用中,实际上仅使用ADC动态范围的一小部分。如果称重传感器采用5V电源供电,其满量程输出是10mV,线性范围是6mV。如果前端电路级的增益为mV,则ADC的满量程输入大约是mV。如果采用2.5V的基准电压,则只使用了不足三分之一的ADC动态范围。
如果内部计数在满量程范围mV内必须精确到1:,,则ADC精度应该比上述分析中的ADC提高3－4倍以满足性能要求。在这种情况下需要具有19－20bit精度的ADC。工业电子秤系统通常工作在超过50℃的温度范围,因此温度漂移可能是其主要的误差来源。例如,具有1ppm/℃增益漂移的20bit精度的系统在50℃的温度范围内会产生50LSB的误差。虽然系统在25℃时可以精确到1LSB,但它在超过满温度范围时仅精确到50LSB。因此当设计电子秤时选用低漂移ADC非常重要。
但失调漂移并不是一个很重要的考虑因素。大多数的Σ-ΔADC采用“斩波”技术,这种技术具有降低漂移和提高抗噪声干扰的优势。大多数电子秤设计工程师都会大大受益于斩波技术优越的低漂移性能和抗噪声干扰能力。
人们在阅读芯片使用说明时犯的一个普遍错误就是将有效值(RMS)噪声与峰值(pk-pk)噪声混淆。对于电子秤应用,最重要的技术指标是pk-pk噪声或者是无噪声分辨率。ADC的无噪声分辨率是指超过这个位(bit)数它就不能清楚分辨个别编码的分辨率。
系统的pk-pk分辨率取决于ADC的更新速率。例如,当AD的更新速率为4Hz时,它能达到20.5bit的pk-pk分辨率;当为Hz时,pk-pk分辨率降低到16bit。在电子秤系统中,设计工程师需要折衷ADC的最大采样速率和显示器的最小更新速率。对于高端电子秤,通常使用10Hz的采样速率。
在低更新速率时对低噪声和高线性度的要求使得ADC成为电子秤的最佳选择。ADC的第二个优点是内置的噪声整形和数字滤波。首先量化噪声可扩展到调制频率的一半。然后限制数字滤波器的带宽只通过低频输出,从而显著地减少对复杂后处理的要求。
ADC也应该包含一个低噪声可编程增益放大器(PGA)以放大称重传感器的微弱信号输出。这种内置PGA与使用外部增益电阻器的分立放大器相比可提供低温度漂移。专用于电子秤应用的AD具有27nV/√Hz噪声指标并且集成了一个可提供高达增益的PGA,因此称重传感器可直接与ADC连接。
AD的有效分辨率受噪声的限制,并且随着其输出数据数率和增益设置而变化。平均值滤波器可以用来增加有效分辨率并且去除尽可能多的噪声,从而可在保持最急剧的阶跃响应的同时减少随机噪声。该滤波器从ADC取M个数据点,删除最小数据点和最大数据点,然后对M-2个点做平均。
输出数据数率保持不变。这属于一阶平均。对于更高的更新速率,通常需要使用二阶平均。在这里,对第一级的输出再作第二级的平均处理以进一步改进测量结果。平均可将有效分辨率提高2.3bit(从19.6bitpk-pk到21.9bitpk-pk)。其唯一的缺点就是由于流水线延迟而延长了建立时间,滤波器经过M个周期的权重值变化之后才指示正确结果。
为了加快建立时间,权重值变化应该发生在两个数据点的差值和滤波器的输出都超过阈值时。第二级的全部M个数据点使用最新数据以加快建立时间。称重传感器也具有建立时间问题,可通过使用最新的ADC数据刷新平均窗口中的所有数据来改善建立时间。经过6个刷新周期之后重新开始平均。
当待测的重量位于两个相邻显示重量之间的接近跳变时,显示值将在这两个重量值之间闪烁。为了保持显示值稳定,由软件判断一个周期中的重量值是否与前一个周期中的重量值相等。如果相等,则LCD的输出不改变。如果不等并且这两个周期之间的内部代码差值比阈值小,则将这种变化看作是噪声,它对LCD输出的微小作用不会刷新显示值。如果差值大于阈值,则显示值会刷新。
为了获得最佳性能,我们采用了比率式测量方法。电桥的激励电压直接决定称重传感器的输出精度。电桥的输出直接与激励电压成比例,并且激励电压的任何漂移都会在电桥输出电压中产生相应的漂移。如果ADC的基准电压源与电桥的激励电压成比例,那么不会由于电桥激励电压的漂移损失测量精度。因此,消除了激励源中低频噪声的影响。您可以使用简单的一阶RC滤波器使ADC输入端的噪声降到最低。