電子秤的設計考慮

電子秤的設計考慮
比率式測量方式
在電子秤的參考設計中為了達到最佳性能采用了比率式測量方法（電橋的DC激勵源和ADC的參考電壓源使用同一個參考源）。稱重傳感器的輸出精度由電橋的激勵電壓決定。由于電橋的輸出直接與激勵電壓成比例，所以激勵電壓的任何漂移都會產(chǎn)生相應的輸出電壓漂移。由于比率式測量方法的輸出電壓既與電橋的激勵電壓成比例又與ADC的參考電壓源成比例，這樣即使實際的電橋激勵電壓變化也不會影響測量精度。這種比率式測量方式消除了激勵源中的溫度漂移和極低頻率噪聲對輸出精確度的影響。為了濾除ADC輸入端來自稱重傳感器的噪聲，通常使用一個簡單的一階RC濾波器。
PCB布線
印刷電路板(PCB)布線對于使用高精度∑-△ADC以達到最佳噪聲性能非常關(guān)鍵。最重要的是接地和電源退耦。在本參考設計中，接地面分為模擬部分和數(shù)字部分。AD7799位于這兩個接地面之間的上方。在AD7799的正下面使用一個起始點連接兩個接地面。AD7799的GND引腳應與模擬地相接。在本設計中，僅使用一個電源供電，但是在AVDD和DVDD引腳之間接一個鐵氧體磁珠。鐵氧體磁珠在低頻處具有低阻抗，在高頻處具有高阻抗的特性。因此，鐵氧體磁珠可抑制DVDD中的高頻噪聲。當選用鐵氧體磁珠時，應當研究其阻抗頻率特性。本設計選用600 表面貼裝的鐵氧體磁珠。最后，通常使用0.1 F和10 F的電容器對AVDD和DVDD電源進行去耦；這兩個電容器都應放在盡可靠近AD7799的地方。


選擇最佳的ADC
電子秤設計最佳的ADC體系結(jié)構(gòu)是∑-△ADC，這種體系結(jié)構(gòu)在低更新速率時具有低噪聲和高線性度，其噪聲整形和數(shù)字濾波功能集成在片內(nèi)。首先集成高頻率調(diào)制器整形量化噪聲以便把噪聲移到調(diào)制器頻率的一半處，數(shù)字濾波器只通過低頻信號。
ADC還應包含一個低噪聲可編程增益放大器（PGA），它具有很高的內(nèi)部增益以放大來自稱重傳感器的微小輸出信號。與需要外部增益電阻器的分立放大器相比，集成的PGA經(jīng)過優(yōu)化能保證很低的溫度漂移。在由分立元件構(gòu)成的配置中，任何由溫度漂移引起的誤差都會通過增益級電路被放大。適用于電子秤應用的AD7799具有優(yōu)良的低噪聲指標（27 nV/√Hz）和最大增益為128 mV/mV的前端增益級，稱重傳感器可以與這類ADC直接相連。
ADI公司設計的電子秤系統(tǒng)評估板的參考設計包含一塊AD7799芯片，由ADuC847微控制器控制。ADuC847除了為AD7799提供數(shù)字接口和實現(xiàn)數(shù)據(jù)后處理外，自身也包含一個24 bit的高性能∑-△ADC。這允許用戶對包含AD7799 ADC的系統(tǒng)和使用ADuC847的完整系統(tǒng)自身包含的ADC之間的測試結(jié)果進行比較。
提高ADC輸出精確度
低帶寬高分辨率的AD7799具有24 bit分辨率。然而，正如上面所述，其有效bit數(shù)被噪聲所限制，取決于所使用的輸出字速率和增益設置。為了增加有效分辨率并且盡可能去除噪聲，ADuC847微控制器可編程采用一種均值算法以得到更好的性能。理想情況下，對于這種恒定的直流（DC）模擬輸入信號其輸出碼應該是常數(shù)。但是由于噪聲的存在，將在模擬輸入常數(shù)值附近出現(xiàn)編碼擴展。這種噪聲包括ADC內(nèi)的熱噪聲和模數(shù)轉(zhuǎn)換過程本身產(chǎn)生的量化噪聲。一般情況下編碼擴展服從高斯分布。
均值濾波器是一種減少隨機白噪聲同時可保持最敏捷階躍響應的好方法。這里所討論的設計軟件使用均值移動算法。
均值移動濾波器將來自輸入信號許多點的值進行平均以產(chǎn)生每個點的輸出信號。濾波器輸入直接取自ADC。在對最多M個數(shù)據(jù)取平均的操作中，其中最小數(shù)據(jù)和最大數(shù)據(jù)（外部數(shù)據(jù)）都從數(shù)據(jù)窗口中被刪除。對剩下的M-2個數(shù)據(jù)用下面的公式求平均值：
采用均值移動方法可使輸出數(shù)據(jù)速率與輸入數(shù)據(jù)速率保持相同，這是一級平均。為了提高更新速率，通常使用二級平均以減小波形偏差。在這種情況下，第一級的輸出通過第二級再取平均以進一步提高輸出結(jié)果的精度。
減小稱重變化的響應時間
基本的算法可以提高電子秤的噪聲性能，但是當其稱重發(fā)生變化時會出現(xiàn)問題。當稱重變化后，稱重傳感器的輸出應在非常短的時間內(nèi)達到另一個平衡狀態(tài)。根據(jù)這種算法，濾波器的輸出僅在濾波器更新M次后才能得到最準確的結(jié)果。響應時間受到均值點的數(shù)量限制。因此需要一種專門算法來判斷稱重的變化。圖4示這出種專門算法的基本流程圖。
首先，采用兩步判斷是為了避免當稱重變化時產(chǎn)生毛刺信號。當兩個來自ADC的相鄰數(shù)據(jù)與濾波器的輸出之差都超過閾值時，可以認為發(fā)生了稱重變化。當稱重變化時，第二級的全部M個數(shù)據(jù)都用相同的新數(shù)據(jù)填充以便非常快速地跳過稱重傳感器的變遷周期。另外，稱重傳感器自身也有信號建立時間。為了對此進行補償，在檢測到稱重變化后，均值移動窗口中的所有數(shù)據(jù)都將用最新的ADC數(shù)據(jù)更新，以便接下來的6個連續(xù)的均值周期可跳過數(shù)據(jù)恢復時間。在6個更新周期后，平均再重新開始。

消除輸出結(jié)果的閃爍
對于1:50,00和1:10,000的標準范圍，調(diào)整電子秤可顯示0.5 g或1 g的最小刻度。當稱重是在兩個相鄰的顯示稱重值之間時，顯示值將在這兩個稱重值之間發(fā)生閃爍。為了保持穩(wěn)定的顯示值，可使用一種特殊的算法。
在每個顯示周期內(nèi)，軟件決定本周期內(nèi)顯示的稱重值是否與前一個周期內(nèi)的值相等。如果相等，LCD輸出將不變，并且處理過程繼續(xù)進入下一個周期。如果不等，將計算這兩個周期的內(nèi)部編碼之間的差值。如果差值小于閾值，則認為此變化是由噪聲引起的，所以依然顯示舊的稱重值。如果差值大于閾值，則更新顯示值。
ADuC847和AD7799的性能比較
對于低成本的電子秤設計，帶有片內(nèi)ADC的ADuC847可以提供一種單芯片解決方案。ADuC847集成了一個24 bit的∑-△ADC和8052微控制器內(nèi)核。其內(nèi)部的ADC含有增益為128差分模擬輸入和參考電壓源輸入的可編程增益放大器（PGA）。ADuC847還包含62 K字節(jié)（byte）的片內(nèi)程序閃存和4 K字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)閃存。在測試條件相同的情況下，對ADuC847片內(nèi)集成的ADC與具有較低噪聲單獨的AD7799進行了比較，模擬輸入端直接連到2.5V的參考電壓源上并且使用的增益為64。正如我們所預期的一樣，AD7799具有較低的噪聲，因此它適用于高端應用，相反ADuC847適合于要求不太嚴格的電子秤。

電子秤的設計考慮
比率式測量方式
在電子秤的參考設計中為了達到最佳性能采用了比率式測量方法（電橋的DC激勵源和ADC的參考電壓源使用同一個參考源）。稱重傳感器的輸出精度由電橋的激勵電壓決定。由于電橋的輸出直接與激勵電壓成比例，所以激勵電壓的任何漂移都會產(chǎn)生相應的輸出電壓漂移。由于比率式測量方法的輸出電壓既與電橋的激勵電壓成比例又與ADC的參考電壓源成比例，這樣即使實際的電橋激勵電壓變化也不會影響測量精度。這種比率式測量方式消除了激勵源中的溫度漂移和極低頻率噪聲對輸出精確度的影響。為了濾除ADC輸入端來自稱重傳感器的噪聲，通常使用一個簡單的一階RC濾波器。
PCB布線
印刷電路板(PCB)布線對于使用高精度∑-△ADC以達到最佳噪聲性能非常關(guān)鍵。最重要的是接地和電源退耦。在本參考設計中，接地面分為模擬部分和數(shù)字部分。AD7799位于這兩個接地面之間的上方。在AD7799的正下面使用一個起始點連接兩個接地面。AD7799的GND引腳應與模擬地相接。在本設計中，僅使用一個電源供電，但是在AVDD和DVDD引腳之間接一個鐵氧體磁珠。鐵氧體磁珠在低頻處具有低阻抗，在高頻處具有高阻抗的特性。因此，鐵氧體磁珠可抑制DVDD中的高頻噪聲。當選用鐵氧體磁珠時，應當研究其阻抗頻率特性。本設計選用600 表面貼裝的鐵氧體磁珠。最后，通常使用0.1 F和10 F的電容器對AVDD和DVDD電源進行去耦；這兩個電容器都應放在盡可靠近AD7799的地方。