電路功能與優勢

圖1所示電路是一個精密電子秤信號調理系統，它使用一個低功耗緩沖式24位Σ-Δ型ADC AD7791和兩個外部零漂移放大器ADA4528-1 。該解決方案支持單電源供電，可提供高直流增益。

前端使用超低噪聲、低失調電壓、低漂移放大器，以便放大來自稱重傳感器的低電平信號。對于滿量程輸出為10 mV的稱重傳感器，該電路提供15.3位的無噪聲碼分辨率。

利用本電路可以非常靈活地設計定制低電平信號調理前端，用戶可以輕松優化傳感器-放大器-轉換器組合電路的整體傳遞函數。在9.5 Hz至120 Hz的完整輸出數據速率范圍內，AD7791均能保持良好的性能，可用于以各種較低速度工作的電子秤應用。

圖1. 采用AD7791的電子秤系統（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接） Weigh Scale System Using the AD7791 （Simplified Schematic， All Connections and Decoupling Not Shown）

電路描述

圖2所示為實際的測試設置。為進行測試，使用6線Tedea-Huntleigh 505H-0002-F070稱重傳感器。

流經PCB走線的電流會產生IR壓降，走線較長時，這種壓降可能達到數毫伏或更大，引起相當大的誤差。室溫下，1英寸長、0.005英寸寬的1盎司銅走線的電阻約為100 mΩ。當負載電流為10 mA時，該走線可能引起1 mV的誤差。

除激勵、接地和兩個輸出連接外，6線式稱重傳感器還有兩個檢測引腳。這些檢測引腳分別與惠斯登電橋的高端（激勵引腳）和低端（地引腳）相連。盡管在線路電阻上存在一定的壓降，但仍能精確測量該電橋上產生的電壓。此外，AD7791接受差分模擬輸入和差分基準電壓。這兩個檢測引腳與AD7791基準電壓輸入端相連，構成一個比率式配置，不受電源激勵電壓的低頻變化影響。因為是比率式連接，所以無需精密基準電壓源。

與6線式稱重傳感器不同，4線式稱重傳感器不具有檢測引腳，ADC差分基準電壓引腳與激勵電壓和地直接相連。采用這種連接時，由于有線路電阻，ADC的激勵引腳與基準電壓引腳之間存在壓差。另外，低端（地）上也會有線路電阻引起的壓差。這樣，系統將不完全是比率式。

當激勵電壓為5 V時，Tedea-Huntleigh 2 kg稱重傳感器的靈敏度為2 mV/V，滿量程輸出為10 mV。稱重傳感器也具有相關的失調電壓或TARE。此外，稱重傳感器還具有增益誤差。一些客戶利用DAC來消除或抵消TARE。當AD7791采用5 V基準電壓時，差分模擬輸入范圍等于±5 V或10 V p-p。圖1所示電路將稱重傳感器輸出放大375 （1 + 2R1/RG）倍，因此以稱重傳感器輸出為基準的滿量程輸入范圍為10 V/375 = 27 mV p-p。相對于稱重傳感器的10 mV p-p滿量程信號，AD7791的模擬輸入范圍較寬，這有利于確保稱重傳感器的失調電壓和增益誤差不會使ADC前端過載。

來自稱重傳感器的低電平幅度信號由兩個零漂移放大器ADA4528-1放大。顧名思義，零漂移放大器的失調電壓漂移接近為0。放大器連續自行校正任何直流誤差，盡可能保持精確。除了低失調電壓和漂移外，零漂移放大器也沒有1/f噪聲，這一重要特性有助于電子秤在直流或低頻時進行精確測量。

兩個運算放大器ADA4528-1配置為三運放儀表放大器的第一級。第三個運算放大器連接為差動放大器，一般用于第二級，但在圖1所示電路中，AD7791的差分輸入端執行此功能。

增益等于1 + 2R1/RG。電容C1和C2置于運算放大器的反饋環路中，與R1和R2一起形成4.3 Hz截止頻率的低通濾波器，用于限制進入Σ-Δ型ADC的噪聲量。C5與R3和R4一起形成一個截止頻率為8 Hz的差分濾波器，用以進一步限制噪聲。C3和C4與R3和R4一起形成截止頻率為159 Hz的共模濾波器。

低噪聲調節器ADP3301為AD7791、ADA4528-1和稱重傳感器供電。除了去耦電容外，按照 ADP3301 數據手冊的建議，在調節器輸出端配有降噪電容。調節器必須為低噪聲型，因為電源或地層的任何噪聲都會在系統中引起噪聲，導致電路性能下降。

圖2. 采用AD7791的電子秤系統設置

24位Σ-Δ型ADC AD7791轉換來自稱重傳感器的經放大的信號。AD7791配置為緩沖工作模式，以適應模擬輸入引腳上的R-C濾波器網絡的阻抗。

圖3顯示AD7791在不同輸出數據速率下的均方根噪聲。此圖顯示，均方根噪聲隨著輸出數據速率增加而增加。不過，在整個輸出數據速率范圍內，該器件均能保持良好的噪聲性能。

圖3. AD7791在不同輸出數據速率下的均方根噪聲，采用2.5 V基準電壓（5 V p-p輸入范圍），緩沖器開啟

在9.5 Hz輸出數據速率和2.5 V基準電壓下，AD7791的均方根噪聲為1.1 μV，因而無噪聲碼數為

其中系數6.6用來將均方根電壓轉換為峰峰值電壓。

因此，相應的無噪聲碼分辨率等于：

注意，這是AD7791在不連接稱重傳感器或輸入放大器情況下的性能。

圖1所示電路使用5 V基準電壓，峰峰值輸入范圍為10 V，因此LSB等于：具有5.9 nV/√Hz的電壓噪聲密度，因此，輸入放大器和電阻會增加系統的噪聲。此外，稱重傳感器本身也會增加噪聲。

圖1所示電路使用5 V基準電壓，峰峰值輸入范圍為10 V，因此LSB等于：

來自稱重傳感器的10 mV p-p滿量程信號在ADC中產生3.75 V p-p信號，約為ADC量程的38%。

在連接稱重傳感器（無負載）的情況下，獲取7個樣本集，每個樣本集包含500個樣本。計算每個樣本集的峰峰值代碼分布，然后求平均值以產生159個采樣點的代碼分布。基于ADC的3.75 V p-p滿量程輸入，這相當于159 × 0.596 μV = 94.8 μV p-p噪聲。

因此，無噪聲采樣數等于：

整體系統的相應無噪聲碼分辨率等于：

圖4顯示了500個樣本的ADC代碼圖（52.6秒、9.5 Hz數據速率）。注意，峰峰值分布約為160個代碼。

圖4. 500次采樣所測得的輸出碼，體現出噪聲的影響

圖5以直方圖形式顯示了同樣的數據。圖4和圖5顯示從AD7791回讀的實際（原始）轉換結果。在實際操作中，電子秤系統通常會采用數字后置濾波器。在后置濾波器中另外執行均值計算會進一步提高無噪聲采樣數，但數據速率會降低。

與其它高精度電路一樣，必須采用適當的布局、接地和去耦技術。欲了解更多信息，請參考指南MT-031——“實現數據轉換器的接地并解開AGND和DGND的謎團”，以及指南MT-101——“去耦技術”。

與其它高精度電路一樣，必須采用適當的布局、接地和去耦技術。

圖5. 500次采樣所測得的直方圖，體現出噪聲的影響

常見變化

下列應用筆記討論了其它適合電子秤應用的ADC和電路： CN-0102 （ AD7190）、 CN-0107 （AD7780）、CN-0108 （AD7781）、CN-0118 （AD7191）、 CN-0119 （AD7192）和 CN-0155 （AD7195）。

AD7171是一款16位Σ-Δ型ADC。

針對低功耗解決方案，請使用ADA4051-2。ADA4051-2是一款雙通道、微功耗、零漂移放大器，每個放大器的電源電流僅為20 μA。

電路評估與測試

本電路使用EVAL-CN0216-SDPZ電路板和EVAL-SDP-CB1Z系統演示平臺（SDP）評估板。這兩片板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設置并評估電路性能。EVAL-CN0216-SDPZ板包含要評估的電路，如本筆記所述。SDP評估板與CN-0216 評估軟件一起使用，可從EVAL-CN0216-SDPZ電路板獲取數據。

設備要求

帶USB端口和Windows XP、Windows Vista（32位）或Windows 7（32位）的PC

EVAL-CN0216-SDPZ電路評估板

EVAL-SDP-CB1Z SDP評估板

CN0216評估軟件

Tedea-Huntleigh 505H-0002-F070稱重傳感器或等效器件

電源：+6 V或+6 V壁式電源適配器

開始使用

將CN0216評估軟件光盤放進PC的光盤驅動器，加載評估軟件。打開“我的電腦”，找到包含評估軟件光盤的驅動器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟件。

功能框圖

電路框圖參見本電路筆記的圖1，電路原理圖參見PDF文件“EVAL-CN0216-SDPZ-SCH”。此文件位于CN0216設計支持包中。

設置

將EVAL-CN0216-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z （SDP）評估板上標有“CON A”的連接器。應使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。稱重傳感器連接到EVAL-CN0216-SDPZ板。

在斷電情況下，將一個+6 V電源連接到板上標有+6 V和GND的引腳。如果有+6 V壁式電源適配器，可以將它連接到板上的管式插孔連接器，代替+6 V電源。SDP板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。注：此時請勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。

測試

為連接到EVAL-CN0216-SDPZ電路板的+6 V電源（或壁式電源適配器）通電。啟動評估軟件，并通過USB電纜將PC連接到SDP板上的微型USB連接器。如果設備管理器中列出了Analog Devices System Development Platform驅動器，軟件將能與SDP板通信。

一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來發送、接收、捕捉來自EVAL-CN0216-SDPZ板的串行數據。

有關如何使用評估軟件來捕捉數據的詳細信息，請參閱CN0216評估軟件Readme文件。

有關SDP板的信息，請參閱SDP用戶指南。

分析數據

至少應采集ADC輸出數據的500個樣本。一旦將樣本集導出到Excel等電子表格程序，就可以對樣本進行分析。假設噪聲為高斯分布，則樣本的標準差約等于均方根噪聲。峰峰值噪聲約為均方根噪聲的6.6倍。

峰峰值噪聲也可以直接從樣本集獲得，只需將最大樣本減去最小樣本。實際上，利用這種方法獲得的結果與將均方根值乘以6.6獲得的值大致相同。

從樣本獲得的值的單位是LSB，因此必須將其轉換為電壓；對于5 V基準電壓，1 LSB = 0.596 μV。需要時，可以對多個樣本集的結果求平均值，以獲得更精確的測量結果。

無噪聲碼分辨率根據峰峰值噪聲計算，方法如上文所述。