AD7190 是一款專(zhuān)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- ADC，可以用較少的外圍電路實(shí)現(xiàn)兩路傳感器動(dòng)態(tài)稱(chēng)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(chēng)重技術(shù)和電子衡器產(chǎn)品從靜態(tài)稱(chēng)重向著快速稱(chēng)重、動(dòng)態(tài)稱(chēng)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)電子秤的身影。在動(dòng)態(tài)稱(chēng)重和快速稱(chēng)重領(lǐng)域?qū)ΨQ(chēng)重傳感器和采集電路的穩(wěn)定性、采集精度、采集速度要求更高。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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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、Σ- 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(chēng)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(chēng)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[2]，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 3μVpp/V噪聲、3ppm/℃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(chēng)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(chēng)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(chēng)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。