重量秤向更高精度和更低成本的趋势已经产生了对低成本高性能信号处理的需求增加。这一要求的适用范围不明显;大多数称重秤以1:3 000或1:10 000的分辨率输出最终重量值，这很容易(显然)由12位到14位ADC(数字转换器)满足。然而，仔细检查秤就会发现，满足分辨率要求并非易事;事实上，ADC精度需要接近20位。在本文中，我们讨论了一些称重秤的系统规范，并处理了设计和构建称重秤系统的注意事项。考虑的主要领域是峰对峰噪声分辨率、A/ d转换器动态范围、增益漂移和滤波。我们比较了来自真实称重传感器的测量数据和来自稳定电压参考的输入，使用重量级参考设计作为评估板。

测压元件传感器

最常见的称重实现是使用桥式称重传感器，其电压输出与放置在其上的重量成正比。典型的测力元件桥如图1所示;它是一个4电阻桥式电路，至少有两个可变臂，其中电阻随重量变化而变化，在共模水平产生2.5 V(电源电压的一半)的差分电压。一个典型的电桥将有300欧姆数量级的电阻。

称重传感器本身是单调的。称重传感器的主要参数是灵敏度、总误差和漂移。

灵敏度

一个典型的测压元件的电灵敏度，定义为满载输出与激励电压的比值，为2 mV/V。灵敏度为2 mV/V，激励为5 V，满量程输出电压为10 mV。通常，为了使用测压元件跨度的最线性部分，只使用该范围的三分之二。因此，满量程输出电压约为6毫伏。因此，所提出的挑战是在这6 mv满量程范围内测量小信号变化，以获得最高可达到的性能，这在通常使用称重秤的工业环境中不是一项容易的任务。

总误差

总误差是输出误差与额定输出的比值。一个典型的称重秤的总误差规格约为0.02%。这是一个非常重要的规范，因为它限制了理想信号调理电路所能达到的精度。这就决定了A/ d转换器分辨率的选择，以及放大电路和滤波器的设计。

漂移

测压元件也随时间漂移。图2显示了在24小时内测量的实际负载传感器漂移特性。在测量期间，温度基本上是恒定的，因此漂移与温度无关。所示的结果(使用24位ADC测量的位数变化)显示总漂移为125 lsb，或约7.5 ppm。

Weigh-Scale系统

在设计称重系统时要考虑的最重要的参数是内部计数、ADC动态范围、无噪声分辨率、更新速率、系统增益和增益误差漂移。系统必须设计成比例的，因此与电源电压无关——这将在后面讨论。

内部数

如前所述，用户看到的典型重量级系统的分辨率范围从低端的1:3 000到高端解决方案的1:10 000不等。例如，一个重量秤可以测量5公斤，计数为1:10 000，重量分辨率为0.5克。这种分辨率，正如在LCD显示器上看到的，通常被称为外部计数。为了保证准确地满足该分辨率，系统的内部分辨率必须至少提高一个数量级。事实上，一些标准规定系统的内部计数要比外部计数好20倍。对于上面的示例，内部计数需要为1:20万。

ADC动态范围

在使用标准高分辨率A/D转换器的重量级应用中，不太可能使用ADC的整个满量程。在图1的示例中，称重传感器具有5v电源和10mv的满量程输出。线性范围为6mv。在前端使用128级增益，ADC输入将看到约768 mV满量程。如果使用标准2.5 v基准，则仅使用ADC动态范围的30%。

如果在770 mV的满量程范围内，内部计数需要精确到1:20万，那么ADC需要提高3到4倍才能满足性能要求。在这种情况下，对于1:80万的计数，ADC将需要19位到20位的精度。现在可以理解信号处理要求所带来的实际挑战。

增益和偏置漂移

工业称重系统通常在50度(摄氏度)的温度范围内运行。设计人员必须考虑系统在室温以外温度下的精度，因为增益随温度的漂移可能是误差的主要来源。例如，具有1 ppm/°C增益误差漂移的20位稳定系统将在50度范围内产生50 lsb的误差。尽管系统在25°C时可能是1 lsb稳定，但在整个温度范围内，它实际上只有50 lsb精确。因此，在设计称重秤时，选择具有低增益漂移的ADC是一个非常重要的考虑因素。

偏移漂移不是一个大的考虑因素。大多数西格马 - 得尔塔 adc采用固有的斩波模式技术设计，具有更低的漂移和更好的抗1/f噪声的优势，这对重量级设计人员来说是有用的特性。例如，AD7799 A/D转换器的失调漂移规格为10 nV/°C。在一个20位的系统中，在整个50度的工作范围内，这将导致总共只有1/4 lsb的误差。

无噪声的决议

在编写数据表时，一个常见的错误是不注意噪声是按均方根(rms)指定还是按峰对峰(p-p)指定。对于重量级应用，最重要的规范是p-p噪声，它决定了无噪声代码的分辨率。ADC的无噪声代码分辨率是指由于与所有ADC相关的有效输入噪声，不可能明确解析单个代码的分辨率位数。该噪声可以表示为有效值，通常表示为LSB单位的数量(计数，满量程的2(-n))。乘以6.6(捕获标准分布中所有值的99.9%)可以得到一个合理的等效峰对峰值(用lsb表示)。大多数器件的西格马 - 得尔塔 adc的数据手册都指定了有效值和p-p或无噪声代码，如下表所示，摘自AD7799数据手册。

更新的速度

从图4中可以看出，系统的无噪声分辨率取决于ADC的更新速率。例如，使用2.5 v基准和4.17 Hz的更新速率，分辨率为20.5位p-p(增益为128);而在500hz时，分辨率降低到16.5位。在重量级系统中，设计人员需要平衡ADC可采样的最低更新速率与更新LCD显示所需的输出数据速率。对于高端称重秤，通常使用10 hz ADC更新速率。

表1 .使用2.5 V基准时AD7799的输出均方根噪声(mV)与增益和输出更新率的关系

表二。AD7799的典型分辨率(位)与增益和输出更新率

图4。AD7799 A/D转换器的等效输入噪声和分辨率。

重量尺度参考设计

选择最好的ADC

重量级应用的最佳ADC架构是sigma-delta，因为它具有低噪声和低更新速率下的高线性度。另一个好处是噪声整形和数字滤波是在芯片上实现的。高频调制器中的积分形成量化噪声，使噪声被推向调制器频率的一半。然后，数字滤波器将响应限制在一个明显较低的频率上。这大大减少了用户对ADC数据进行复杂后处理的需要。

ADC还应包含一个具有高内部增益的低噪声可编程增益放大器(PGA)，以放大来自称重传感器的小输出信号。与带有外部增益电阻的分立放大器相比，集成PGA可以优化为低温漂移。使用离散配置，由于温度漂移引起的任何误差将通过增益阶段被放大。专为重量级应用而设计的AD7799具有出色的噪声规格(27 nV/rt-Hz)和最大增益为128 mV/mV的前端增益级。称重传感器可以直接连接到ADC。

图5是参考设计的框图，这是在Devices设计的重量级系统评估板。它由AD7799 ADC组成，由ADuC847单片机控制。除了为AD7799提供数字接口和实现后处理外，ADuC847微控制器本身还包含一个24位高性能sigma-delta ADC。这将允许用户比较包含AD7799 ADC的系统和使用ADuC847 ADC的完全独立的系统在相同硬件连接下的测试结果，从而选择最能满足要求的设计。

测试结果

下图显示了使用重量比例尺参考设计的一些测试结果。所有结果都基于测量的ADC输出码的标准偏差，有效地消除了均方根噪声。要转换为“无噪声分辨率码”，我们使用以下计算:

标准偏差=均方根噪声(LSBs)

峰间噪声= 6.6 ×有效值噪声(LSBs)

以位为单位的分辨率噪声= log2 (p-p噪声)

ADC无噪声分辨率(位)= 24 -(噪声位)

= 24 - log(2) (6.6 × rms噪声(LSBs))位分辨率

图6显示了使用基准电压作为ADC输入的测量数据。测量基准的标准分布为3.25 lsb。将其乘以6.6来计算峰对峰噪声，得到21.65 lsb。将其转换成位分辨率得到4.42位噪声。对于24位ADC，这意味着19.58位的“无噪声分辨率”。图7显示了在一个典型的称重传感器上完成的相同测试。在这种情况下，“无噪声分辨率”是19.4位。这意味着测压元件本身只给最终结果增加了0.2位噪声，因此ADC被显示为该噪声的主要贡献者。

改善ADC结果

低带宽、高分辨率AD7799的分辨率为24位。然而，如上所示，有效比特数受到噪声的限制，这取决于所使用的输出字率和增益设置。为了提高有效分辨率和尽可能多地去除噪声，ADuC847的微控制器被编程为采用平均算法以获得更好的性能。图8显示了当输入接地时，从西格马 - 得尔塔 ADC获得的典型直方图。理想情况下，对于这个固定的直流输入，输出代码应该是恒定的。然而，由于噪声的存在，在恒定的输入值周围会有代码的扩散。这种噪声是由于ADC内部的热噪声和到数字转换过程中固有的量化噪声。代码传播本质上通常是高斯分布。

一个平均滤波器是一个很好的方法，以减少随机白噪声，同时保持最尖锐的阶跃响应。这里讨论的设计软件使用移动平均算法。图9显示了基本的算法流程。

移动平均滤波器对输入信号中的若干点取平均，以产生输出信号中的每个点。滤波器的输入直接来自ADC。对最近的M个数据点进行操作，从数据窗口中删除最小和最大的数据点(离群值)。剩下的M - 2个点取平均值，如下式所示。

使用移动平均技术，输出数据率保持与输入数据率相同。这是一阶平均。对于较高的更新速率，通常使用二阶平均来减少波形色散。在这种情况下，将第一阶段的输出平均到第二阶段，以进一步改善结果。

图10显示了平均后AD7799的测量数据。将其与图5进行比较:平均后，最终结果提高了约2.3位(21.9位vs. 19.6位有效分辨率)。这种技术可以显著改善最终结果，而不会影响lcd输出更新率。该方法唯一的缺点是由于平均的管道延迟而导致较长的稳定时间。

提高对权重变化的响应时间

基本算法可以提高噪声性能，但在权重改变时存在问题。在重量变化后，称重传感器的输出应在很短的时间内移动到另一个平衡状态。根据该算法，过滤器的输出只有在过滤器刷新M次后才能表示最正确的结果。响应时间受平均点数的限制。需要一种特定的算法来判断权重的变化。图11显示了该算法的基本流程。

首先，使用双重判断步骤，以避免将故障视为权重变化。当来自ADC和滤波器输出的两个连续数据点之间的差异都超过阈值时，这被认为是权重变化。

第二阶段的所有M个点都将填充相同的新数据，以便在重量变化后很快跳过称重传感器的过渡期。此外，称重传感器本身也有一个稳定时间。为了弥补这一点，在检测到权重变化后，在接下来的六个连续平均周期中，将用最新的ADC数据刷新平均移动窗口中的所有数据，以通过恢复时间。在六个刷新周期之后，将恢复平均。

消除输出结果上的闪烁

称重秤对齐显示0.5克分区或1克分区1:5,000和1:10,000标准范围。当砝码位于两个相邻显示砝码之间时，显示砝码将在两个相邻显示砝码之间闪烁。为了保持显示稳定，采用图12中的算法:

在每个显示周期中，软件判断该周期显示的权重是否与前一个相同。如果是相同的，LCD输出将不会改变，过程继续下一个周期。如果不相同，将计算这两个周期之间的内部代码差。如果差值小于阈值，则视为噪声影响，因此仍将显示旧权重。如果差异大于阈值，它将更新显示。

ADuC847和AD7799 ADC性能比较

对于低成本的重量级设计，ADuC847及其板载ADC可以提供单芯片解决方案。ADuC847集成了一个24位sigma-delta ADC和一个8052微控制器核心。内部ADC也有一个增益为128的PGA差分输入和参考输入。它还包括62K字节的片上程序闪存和4K字节的片上数据闪存。图13和图14将ADuC847上的集成ADC与较低噪声的独立AD7799进行了比较。两个测试的条件是相同的:输入短接到2.5 v基准，增益为64。正如我们所期望的那样，AD7799具有较低的噪声，因此适用于高端应用，而ADuC847则适用于要求较低的称重秤。

重量比例尺设计考虑

比率计设计

为了获得最佳性能，参考设计中采用了比率测量技术(电桥激励和ADC参考源相同)，如图3所示。称重传感器的输出精度由电桥的激励电压决定。电桥输出与激励电压成正比，激励电压的任何漂移都会产生相应的输出电压漂移。通过使用与电桥激励电压成比例的电压作为ADC的参考源，即使实际电桥激励电压发生变化，测量精度也不会受到损失。这种比率连接消除了漂移和极低频噪声在激发源的影响。为了滤除ADC输入处称重传感器的噪声，可以使用简单的一阶RC滤波器。

布局

布局对于高精度西格马 - 得尔塔 ADC的最佳噪声性能至关重要。最重要的两个方面是接地和电源去耦。在这个参考设计中，地平面被分为数字部分和数字部分。AD7799位于这两个地平面之间的裂缝上方。一个起点用于连接AD7799下方的接地面。AD7799的GND引脚应接地。在本设计中，只使用一个电源，但在AVDD和DVDD端子之间有一个铁氧体磁头。铁氧体磁珠在低频时阻抗低，在高频时阻抗高。因此，铁氧体磁珠可以阻断DVDD中的高频噪声。在选择铁氧体磁头时，应考察其阻抗vs。高频特性。在本设计中，选择了600欧姆的表面贴装封装铁氧体磁头。最后，采用0.1μF和10 μ f电容对AVDD和DVDD电源进行去耦;它们应尽可能靠近设备放置。

硬件和软件

AD7799/ADuC847重量级参考设计也可以通过RS-232接口连接到任何PC机。这允许用户在评估系统时保存和处理数据。参考设计的硬件和软件规格是免费的，包括源代码、原理图和PCB Gerber文件。请联系作者获取更多信息。