AD7190是一款專門(mén)為電子秤、應(yīng)變計(jì)傳感器設(shè)計(jì)的超低噪聲24位 Σ- ΔADC，可以用較少的外圍電路實(shí)現(xiàn)兩路傳感器動(dòng)態(tài)稱重。本文主要介紹了在滿足復(fù)雜 的工業(yè)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)高速、高精度采集的AD7190芯片外圍電路設(shè)計(jì)，包括低紋波、大電流 的基準(zhǔn)源電路、防止EMI干擾的前端濾波電路、防止動(dòng)態(tài)漂移的補(bǔ)償電路等。通過(guò)測(cè)試可以 實(shí)現(xiàn)1kHz采樣頻率下保持萬(wàn)分之一的精度。

1 .引言

隨著社會(huì)智能化水平的提高，電子稱重技術(shù) 和電子衡器產(chǎn)品從靜態(tài)稱重向著快速稱重、動(dòng)態(tài) 稱重發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，在工廠包裝車(chē) 間、物流分揀現(xiàn)場(chǎng)、載貨車(chē)輛檢測(cè)站等都可以發(fā) 現(xiàn)電子枰的身影。在動(dòng)態(tài)稱重和快速稱重領(lǐng)域?qū)?/span> 稱重傳感器和米集電路的穩(wěn)定性、米集精度、米 集速度要求更高。本文根據(jù)以上需求，利用ADI 公司的AD7190芯片設(shè)計(jì)了一款可以滿足復(fù)雜環(huán)境 下的稱重傳感器信號(hào)采集電路，較好的解決了以 上問(wèn)題。電子衡器是一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備，尤其是工 業(yè)應(yīng)用所涉及的安全性、穩(wěn)定性要求較高，本文 內(nèi)容無(wú)法全部描述說(shuō)明，本文將從設(shè)備的抗干擾 和采集精度方面，著重介紹稱重傳感器的供電、 信號(hào)的濾波、EMI的抑制等幾個(gè)方面。

2.系統(tǒng)原理介紹

整個(gè)系統(tǒng)包括系統(tǒng)供電電路、傳感器激勵(lì)源 電路、傳感器前端濾波電路、基準(zhǔn)補(bǔ)償電路和單 片機(jī)數(shù)據(jù)處理電路，如圖1所示。其中模擬信號(hào) 采集電路和單片機(jī)處理電路用ADUM1401電池隔 離芯片完全隔離，兩個(gè)部分的供電也由DC-DC隔 離電源完全隔開(kāi)，用以避免數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào) 的電磁干擾。

系統(tǒng)的抗干擾性主要提高設(shè)備通信接口、電 源接口和傳感器接口等與外部設(shè)備接口的抗電磁 脈沖干擾性能。對(duì)于本系統(tǒng)的模擬采集電路，電 源管理電路前端已有DC-DC隔離電源，只需要增 加簡(jiǎn)單濾波電路即可。稱重傳感器接口電路外接 的是系統(tǒng)供電的封閉傳感器，有時(shí)需要連接較長(zhǎng) 的導(dǎo)線，需要抑制無(wú)線電磁干擾。

系統(tǒng)的采集精度取決于ADC芯片的精度、放 大電路的性能、傳感器激勵(lì)源的紋波系數(shù)、濾波 電路的性能等幾個(gè)方面，另外微處理器算法中要 處理好稱重變送器的蠕變補(bǔ)償和系統(tǒng)環(huán)境的溫度 補(bǔ)償問(wèn)題。

3.系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1AD7190 應(yīng)用

AD7190是一款適用于高精密測(cè)量應(yīng)用的24 位低噪聲模擬信號(hào)采集芯片，內(nèi)置128倍PGA、 數(shù)據(jù)緩沖器、Z-A調(diào)制器、后接數(shù)字濾波器。濾 波器可通過(guò)寄存器配置為SINC3或SINC4濾波方 式，SINC4濾波方式具有更好的50Hz/60Hz抑制性 能，在輸出速率較高時(shí)可提供更好的無(wú)噪聲分辨 率，在SINC4濾波方式下最高可提供1.2kHz的采 集速率。另外芯片內(nèi)置一個(gè)通道序列器MUX，通 過(guò)寄存器配置為兩路差分輸入，可用于兩路稱重 傳感器測(cè)量。

如圖2所示，顯示了 AD7190在電子秤中的應(yīng) 用，負(fù)荷傳感器位于電橋網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)5V激勵(lì)源 供電，輸出電壓為0mV?10mV。傳感器輸出的電 壓和激勵(lì)源電壓成比例關(guān)系，當(dāng)激勵(lì)源有波動(dòng)時(shí), 輸出電壓也將不穩(wěn)定，所以我們將激勵(lì)電壓作為 ADC的基準(zhǔn)電壓以降低波動(dòng)的比例影響。輸出的 信號(hào)經(jīng)過(guò)MUX通道選擇、128倍PGA放大、 SINC4濾波后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出。

3.2激勵(lì)源電路設(shè)計(jì)

根據(jù)稱重傳感器的特性，需要設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定 低噪聲恒流源或恒壓源電路，使傳感器輸出電壓 或電流只與被測(cè)量事件有關(guān)，盡可能的降低負(fù)載 變化影響,本文選用基準(zhǔn)電壓芯片外加CMOS管 擴(kuò)流的恒壓源的方案。REF5050是一款3^Vpp/V 噪聲、3ppm/°C漂移精密電壓基準(zhǔn)，輸出電壓經(jīng)過(guò) 運(yùn)放跟隨器以提高阻抗，使輸出電壓更穩(wěn)定，跟 隨器控制場(chǎng)效應(yīng)管擴(kuò)流，經(jīng)過(guò)鉭電容濾波，得到 低紋波、大電流電壓源，電壓源可用于AD7190數(shù) 字電壓源DVDD供電。由于電路的模擬電源和數(shù) 字電源是通過(guò)單點(diǎn)連線隔離的，所以上述得到的 電壓源和地經(jīng)過(guò)三端濾波電容EMI和磁珠隔離后 得到用于傳感器和AD7190模擬電源供電的激勵(lì)源，如圖3所示。

3.3傳感器濾波電路

稱重傳感器按照接線方式分為四線制、五線 制、六線制、七線制，包括激勵(lì)源正、激勵(lì)源負(fù)、 信號(hào)輸出正、信號(hào)輸出負(fù)、激勵(lì)源反饋正、激勵(lì) 源反饋負(fù)、屏蔽線，區(qū)別在于后三項(xiàng)的有無(wú)。本 電路稍微調(diào)整激勵(lì)反饋部分可滿足上述各線制接 法，PWR_SW接口用于電橋關(guān)斷開(kāi)關(guān)，用于程序 控制傳感器供電，如圖4所示。

傳感器輸出信號(hào)正、負(fù)對(duì)地電源約為 AVDD/2,差分電壓為0mV?10mV。信號(hào)經(jīng)過(guò)TVS 管和EMI電容用于抑制電磁干擾，經(jīng)過(guò)共模扼流 圈用于抑制共模信號(hào)干擾，隨后經(jīng)過(guò)兩級(jí)電容濾 波進(jìn)入ADC芯片，芯片接口處的BAV199鉗制二 極管用于限制輸入電壓在芯片安全范圍內(nèi)。對(duì)激 勵(lì)源反饋線進(jìn)行相同處理，都是用于抑制傳感器 在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的電磁干擾。

3.4補(bǔ)償電路與用法

以上激勵(lì)源電路給傳感器提供了低紋波、穩(wěn) 定的電壓源，濾波電路濾除了環(huán)境對(duì)傳感器的干 擾，電路在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的漂移和蠕變需要補(bǔ)償 電路和補(bǔ)償算法處理。

如圖5所示，REF5050基準(zhǔn)電壓芯片輸出的 5V電壓經(jīng)過(guò)分壓得到20mV直流信號(hào)源，信號(hào)源 經(jīng)過(guò)一級(jí)放大跟隨器以提高阻抗，再經(jīng)過(guò)濾電容 波和磁珠后得到穩(wěn)定20mV參考源接入到另外一路 ADC輸入口。在配置AD7190時(shí)開(kāi)啟多通道循環(huán) 連續(xù)轉(zhuǎn)換功能，循環(huán)檢測(cè)傳感器AD值和補(bǔ)償電路 AD值，當(dāng)補(bǔ)償電路值變化時(shí)，我們認(rèn)為激勵(lì)源電 壓或是內(nèi)部放電電路產(chǎn)生漂移，記錄保存該值， 進(jìn)而在處理采集的傳感器數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行比例增減運(yùn) 算。當(dāng)傳感器值產(chǎn)生微小變化而補(bǔ)償電路沒(méi)有變 化時(shí)，我們認(rèn)為傳感器發(fā)生了蠕變，在處理采集 的傳感器數(shù)據(jù)也要進(jìn)行相應(yīng)處理。另外環(huán)境溫度 的變化，元器件在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)產(chǎn)生的變化都會(huì) 影響采集的準(zhǔn)確度，處理方式在其他文章中多有 提及，這里不再介紹。

4.總結(jié)

根據(jù)作者多年的工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)工業(yè)環(huán) 境需求，設(shè)計(jì)了一款可以滿足多數(shù)應(yīng)用的稱重傳 感器采集電路。選用的AD7190芯片應(yīng)用簡(jiǎn)單、內(nèi) 置的MUX、PGA和SINC4功能都符合稱重傳感器 的需要且性能較好。針對(duì)和采集電路配套的單片 機(jī)處理部分，要處理大量的FIR或卷積運(yùn)算，并 要與其他設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)交互通信，建議選用ARM、 CPLD、DSP等運(yùn)算芯片。設(shè)備在工作時(shí)建議安裝 金屬屏蔽罩并接地以降低電磁干擾。