利用24位Σ-Δ型ADC AD7791和外部零漂移放大器ADA4528-1实现精密电子秤设计

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 电路功能与优势

图1所示电路是一个精密电子秤信号调理系统,它使用一个低功耗缓冲式24位Σ-Δ型ADC AD7791和两个外部零漂移放大器ADA4528-1 。该解决方案支持单电源供电,可提供高直流增益。

前端使用超低噪声、低失调电压、低漂移放大器,以便放大来自称重传感器的低电平信号。对于满量程输出为10 mV的称重传感器,该电路提供15.3位的无噪声码分辨率。

利用本电路可以非常灵活地设计定制低电平信号调理前端,用户可以轻松优化传感器-放大器-转换器组合电路的整体传递函数。在9.5 Hz至120 Hz的完整输出数据速率范围内,AD7791均能保持良好的性能,可用于以各种较低速度工作的电子秤应用。

图1. 采用AD7791的电子秤系统(原理示意图:未显示去耦和所有连接) Weigh Scale System Using the AD7791 (Simplified Schematic, All Connections and Decoupling Not Shown)

电路描述

图2所示为实际的测试设置。为进行测试,使用6线Tedea-Huntleigh 505H-0002-F070称重传感器。

流经PCB走线的电流会产生IR压降,走线较长时,这种压降可能达到数毫伏或更大,引起相当大的误差。室温下,1英寸长、0.005英寸宽的1盎司铜走线的电阻约为100 mΩ。当负载电流为10 mA时,该走线可能引起1 mV的误差。

除激励、接地和两个输出连接外,6线式称重传感器还有两个检测引脚。这些检测引脚分别与惠斯登电桥的高端(激励引脚)和低端(地引脚)相连。尽管在线路电阻上存在一定的压降,但仍能精确测量该电桥上产生的电压。此外,AD7791接受差分模拟输入和差分基准电压。这两个检测引脚与AD7791基准电压输入端相连,构成一个比率式配置,不受电源激励电压的低频变化影响。因为是比率式连接,所以无需精密基准电压源。

与6线式称重传感器不同,4线式称重传感器不具有检测引脚,ADC差分基准电压引脚与激励电压和地直接相连。采用这种连接时,由于有线路电阻,ADC的激励引脚与基准电压引脚之间存在压差。另外,低端(地)上也会有线路电阻引起的压差。这样,系统将不完全是比率式。

当激励电压为5 V时,Tedea-Huntleigh 2 kg称重传感器的灵敏度为2 mV/V,满量程输出为10 mV。称重传感器也具有相关的失调电压或TARE。此外,称重传感器还具有增益误差。一些客户利用DAC来消除或抵消TARE。当AD7791采用5 V基准电压时,差分模拟输入范围等于±5 V或10 V p-p。图1所示电路将称重传感器输出放大375 (1 + 2R1/RG)倍,因此以称重传感器输出为基准的满量程输入范围为10 V/375 = 27 mV p-p。相对于称重传感器的10 mV p-p满量程信号,AD7791的模拟输入范围较宽,这有利于确保称重传感器的失调电压和增益误差不会使ADC前端过载。

来自称重传感器的低电平幅度信号由两个零漂移放大器ADA4528-1放大。顾名思义,零漂移放大器的失调电压漂移接近为0。放大器连续自行校正任何直流误差,尽可能保持精确。除了低失调电压和漂移外,零漂移放大器也没有1/f噪声,这一重要特性有助于电子秤在直流或低频时进行精确测量。

两个运算放大器ADA4528-1配置为三运放仪表放大器的第一级。第三个运算放大器连接为差动放大器,一般用于第二级,但在图1所示电路中,AD7791的差分输入端执行此功能。

增益等于1 + 2R1/RG。电容C1和C2置于运算放大器的反馈环路中,与R1和R2一起形成4.3 Hz截止频率的低通滤波器,用于限制进入Σ-Δ型ADC的噪声量。C5与R3和R4一起形成一个截止频率为8 Hz的差分滤波器,用以进一步限制噪声。C3和C4与R3和R4一起形成截止频率为159 Hz的共模滤波器。

低噪声调节器ADP3301为AD7791、ADA4528-1和称重传感器供电。除了去耦电容外,按照 ADP3301 数据手册的建议,在调节器输出端配有降噪电容。调节器必须为低噪声型,因为电源或地层的任何噪声都会在系统中引起噪声,导致电路性能下降。

图2. 采用AD7791的电子秤系统设置

24位Σ-Δ型ADC AD7791转换来自称重传感器的经放大的信号。AD7791配置为缓冲工作模式,以适应模拟输入引脚上的R-C滤波器网络的阻抗。

图3显示AD7791在不同输出数据速率下的均方根噪声。此图显示,均方根噪声随着输出数据速率增加而增加。不过,在整个输出数据速率范围内,该器件均能保持良好的噪声性能。

图3. AD7791在不同输出数据速率下的均方根噪声,采用2.5 V基准电压(5 V p-p输入范围),缓冲器开启

在9.5 Hz输出数据速率和2.5 V基准电压下,AD7791的均方根噪声为1.1 μV,因而无噪声码数为
  
其中系数6.6用来将均方根电压转换为峰峰值电压。

因此,相应的无噪声码分辨率等于:

注意,这是AD7791在不连接称重传感器或输入放大器情况下的性能。

图1所示电路使用5 V基准电压,峰峰值输入范围为10 V,因此LSB等于:具有5.9 nV/√Hz的电压噪声密度,因此,输入放大器和电阻会增加系统的噪声。此外,称重传感器本身也会增加噪声。

图1所示电路使用5 V基准电压,峰峰值输入范围为10 V,因此LSB等于:
 
来自称重传感器的10 mV p-p满量程信号在ADC中产生3.75 V p-p信号,约为ADC量程的38%。

在连接称重传感器(无负载)的情况下,获取7个样本集,每个样本集包含500个样本。计算每个样本集的峰峰值代码分布,然后求平均值以产生159个采样点的代码分布。基于ADC的3.75 V p-p满量程输入,这相当于159 × 0.596 μV = 94.8 μV p-p噪声。

因此,无噪声采样数等于:
  
整体系统的相应无噪声码分辨率等于:
  
图4显示了500个样本的ADC代码图(52.6秒、9.5 Hz数据速率)。注意,峰峰值分布约为160个代码。

图4. 500次采样所测得的输出码,体现出噪声的影响

  图5以直方图形式显示了同样的数据。图4和图5显示从AD7791回读的实际(原始)转换结果。在实际操作中,电子秤系统通常会采用数字后置滤波器。在后置滤波器中另外执行均值计算会进一步提高无噪声采样数,但数据速率会降低。

与其它高精度电路一样,必须采用适当的布局、接地和去耦技术。欲了解更多信息,请参考指南MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”,以及指南MT-101——“去耦技术”。有关本电路笔记的完整设计支持包,请参阅
  
与其它高精度电路一样,必须采用适当的布局、接地和去耦技术。欲了解更多信息,请参考指南MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”, 以及 指南MT-101——“去耦技术” 。有关本电路笔记的完整设计支持包,请参阅 www.analog.com/zh/CN0216-DesignSupport。

图5. 500次采样所测得的直方图,体现出噪声的影响

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