ADS1232和ADS1234:針對(duì)電子秤的全套前端解決方案
無論是何種應(yīng)用,所有這些不同類型電子秤的核心都是一個(gè)高精度數(shù)字化過程,即將被測(cè)量物體的重量轉(zhuǎn)換成一個(gè)可以顯示或者可以進(jìn)行數(shù)據(jù)資料記錄的數(shù)字值。盡管將重量轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)有多種方法,但最為常用的方法也許是采用一個(gè)配置為惠斯通電橋 (Whetstone bridge) 的阻性負(fù)載單元。圖 1 顯示了一個(gè)橋接結(jié)構(gòu),在該橋接中,其中一個(gè)電阻的值會(huì)因施加的重量不同而不同。根據(jù)該橋接的不同結(jié)構(gòu),當(dāng)施加重量時(shí)會(huì)有更多電阻器的值可能會(huì)發(fā)生改變。不管怎樣,可以在該橋接的頂部和底部應(yīng)用一個(gè)激發(fā)電壓。在中間節(jié)點(diǎn)上,以差動(dòng)電壓的形式對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。
圖 1 惠斯通電橋阻性負(fù)載單元
設(shè)計(jì)電子秤時(shí)面臨的挑戰(zhàn)是:如何對(duì)電阻橋接產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行高精度測(cè)量,這是因?yàn)樵撔盘?hào)通常很小。負(fù)載單元通常由輸出電壓來確定,該輸出電壓是在施加負(fù)載單元最大額定重量時(shí)為 1V 激發(fā)電壓產(chǎn)生的。規(guī)格以單位 mV/V 來確定。例如,由 5V 電壓激發(fā)的 4mV/V 負(fù)載單元所具有的滿量程輸出電壓僅為 20mV。請(qǐng)記住,這是最大輸出電壓。為了確定數(shù)字轉(zhuǎn)換器要求的精確度,該橋接的滿量程電壓必須除以理想的秤精度(其通常以計(jì)數(shù)來表示)。假設(shè)為同樣的 4mV/V 負(fù)載單元由 5V 電壓激發(fā),則該秤要求有一個(gè) 20,000 精度的計(jì)數(shù)。反過來,這就要求數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠?qū)?nbsp;(4mV/V)(5V)/20,000 = 1000nV 的信號(hào)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。
那么,讓我們來進(jìn)行更具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)吧!為了獲得優(yōu)異的電子秤設(shè)計(jì),數(shù)據(jù)讀取必須極其穩(wěn)定。也就是說,不能存在由于噪聲干擾而出現(xiàn)代碼之間閃爍或切換。這一要求對(duì)數(shù)字轉(zhuǎn)換器又提出了更多的要求,從而需要比電子秤向用戶報(bào)告的數(shù)值更為精確的內(nèi)部精度。具有比顯示值高出10倍的內(nèi)部精確度并不罕見。如果是在前面的負(fù)載單元實(shí)例中,則要求具有 100nV 的內(nèi)部精度!
假設(shè)存在極小的橋接傳感器信號(hào)且需要極高精度的測(cè)量,許多電子秤廠商過去一直使用一種極低噪聲增益級(jí)在數(shù)字化之前放大來自橋接的信號(hào)。許多電子秤上重量變化相對(duì)較慢的情況下,增益級(jí)帶寬通常并不是一個(gè)大問題。盡管如此,關(guān)鍵是增益級(jí)能夠在溫度和時(shí)間變化中均要非常穩(wěn)定。大多數(shù)電子秤只需要廠方或用戶定期校準(zhǔn)即可。由 PGA 時(shí)間或者溫度漂移引起的任何增益改變,都會(huì)對(duì)電子秤的精確度產(chǎn)生負(fù)面影響。實(shí)際上,在一些高端電子秤設(shè)計(jì)中,增益級(jí)在時(shí)間和溫度變化中的穩(wěn)定性就決定了整個(gè)電子秤的規(guī)格。通常, PGA 后面的一個(gè)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 會(huì)對(duì)放大電壓進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。在被測(cè)量信號(hào)緩慢地不斷變化并需要極高精度的情況下,則常常使用 Δ-Σ 拓?fù)鋪韺?shí)施 ADC。由于使用了增益級(jí),因此 ADC 對(duì)于時(shí)間和溫度的穩(wěn)定性就變得非常重要,以免制約整體性能。
此外,由于可以將橋接激發(fā)電壓用作參考電壓(參見圖 2),所以 ADC 應(yīng)能進(jìn)行“比例計(jì)量”測(cè)量。來自橋接的輸出信號(hào)與帶有衰減系數(shù)的激發(fā)電壓成正比例關(guān)系,而這種衰減系數(shù)由施加于負(fù)載單元的重量來決定。通過使用 ADC 以“比例計(jì)量”的方式對(duì)負(fù)載單元信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,也就是說將激發(fā)電壓作為 ADC 的參考電壓可以抵消該激發(fā)電壓絕對(duì)值的變化。但這種做法反過來又會(huì)降低電子秤設(shè)計(jì)的靈敏度與穩(wěn)健性。
圖 2 利用一個(gè) ADC 對(duì)負(fù)載單元的比例計(jì)量測(cè)量
考慮到這些要求,TI 開發(fā)出了 ADS1232(雙通道輸入)和 ADS1234(四通道輸入),為電子秤設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的高性能、低成本、單芯片橋接傳感器輸出數(shù)字化解決方案。ADS1232 和 ADS1234 均在一個(gè)電子秤前端(見圖 3)中集成了所有的關(guān)鍵模塊,唯一的區(qū)別在于他們所支持的輸入通道數(shù)目有所不同。一種可編程增益放大器 (PGA) 允許用戶選擇增益系數(shù)為 1、2、64 或 128 的增益。當(dāng)橋接被直接連至 ADS1232/4 時(shí),才使用增益系數(shù)為 64 和 128 的增益。增益系數(shù) 1 和 2 的增益允許在橋接和 ADS1232/4 之間使用一個(gè)可選外部增益級(jí)。運(yùn)用 TI 新型先進(jìn)高性能、亞微米混合信號(hào) CMOS 工藝制造出來的 ADS1232/4 PGA 是一款創(chuàng)新型解決方案,其具有最小化低頻噪聲和在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持最小失調(diào)漂移的特性。PGA 中使用的高精度板上電阻器能夠在整個(gè)溫度與時(shí)間范圍內(nèi)提供出色的增益穩(wěn)定性。
圖 3 ADS1232/4 結(jié)構(gòu)圖
PGA 之后是一個(gè)板上 24 位 Δ-Σ ADC,其允許使用 5V 參考電壓,以支持比例計(jì)量測(cè)量。該 ADC 的板上數(shù)字濾波器提供了一個(gè) 10 采樣/秒 (SPS) 或 80SPS 的可選數(shù)據(jù)速率。當(dāng)采用 10 SPS 時(shí),可同時(shí)抑制 50 Hz 和 60 Hz 線壓周期干擾,同時(shí)更高的速度帶來更快的更新。這對(duì)于那些需要快速響應(yīng)的電子秤或者要求高數(shù)據(jù)速率的后處理算法而言非常有用。
盡管在需要時(shí)可以使用一個(gè)外部時(shí)鐘源,但是 ADS1232/4 的高精度板上振蕩器無需使用一個(gè)外部振蕩器或晶振即可工作。ADS1232/4 的所有控制均由一些專門引腳來實(shí)現(xiàn)。通過消除對(duì)所有寄存器進(jìn)行編程的需要,這種架構(gòu)極大地簡(jiǎn)化了軟件開發(fā)。最后,通過一種簡(jiǎn)單的只讀接口可以輕松檢索 ADC 的數(shù)據(jù)輸出。由于 TI 混合信號(hào)工藝的高密度容量,ADS1232 能夠適合于 24 引腳超薄緊縮型小外形封裝 (TSSOP),而 ADS1234 則采用 28 引腳 TSSOP。
為了更好地說明 ADS1232/4 的性能,圖 4 顯示了一個(gè) 10 秒間隔的輸出讀數(shù),其數(shù)據(jù)速率為 10 (SPS),PGA 增益系數(shù)為 128,參考電壓為 5V 橋接激發(fā)電壓。左軸以最低位 (LSB) 為單位顯示了 ADS1232/4 的輸出讀數(shù),而右軸則以 nV 為單位顯示了該輸出讀取。均方根 (rms) 噪聲僅為 17nV,峰至峰噪聲僅為 110nV?;剡^頭再去看一下前面提到的那個(gè) 5V 激發(fā)電壓的 4mV/V 負(fù)載單元實(shí)例,ADS1232 在同該負(fù)載單元一起使用時(shí),會(huì)提供超過 180,000 計(jì)數(shù)的內(nèi)部精度,并且無需額外的組件或者輸出數(shù)據(jù)的后處理。ADS1232/4 的噪聲將會(huì)以數(shù)據(jù)速率、PGA 和參考電壓函數(shù)的形式而變化,注意到這一點(diǎn)非常重要。您可以登錄網(wǎng)站 www.ti.com 獲得有關(guān) ADS1232/4 的產(chǎn)品說明書,其中提供的噪聲列表顯示了不同設(shè)置情況下的性能。
圖 4 ADS1232 噪聲性能
作為對(duì)電子秤設(shè)計(jì)人員的一種幫助,TI 還開發(fā)出一種使用 ADS1232 的電子秤參考設(shè)計(jì),即 ADS1232REF。圖 5 顯示了其結(jié)構(gòu)圖。ADS1232 作為該設(shè)計(jì)的核心,直接將電子秤負(fù)載單元信號(hào)數(shù)字化。MSP430 微控制器可收集 ADS1232 數(shù)據(jù),驅(qū)動(dòng) LCD 顯示,對(duì)來自交換機(jī)的用戶輸入進(jìn)行譯碼,并通過一個(gè) USB 連接同一臺(tái)可選 PC 進(jìn)行通信。圖 6 突出顯示了該電路板的幾個(gè)關(guān)鍵元件。用戶將負(fù)載單元連接至指示的連接器。跳線可以在 ADS1232 輸入的前面繞過可選 RC 濾波器??梢詫⒖茧妷涸谝粋€(gè)外部激發(fā)電壓或模擬電源之間進(jìn)行切換。電源由一個(gè)外部 DC 電源提供。在獨(dú)立模式下,主控制開關(guān)控制整個(gè)運(yùn)行。然后,MSP430 將用戶選擇的數(shù)據(jù)顯示在 LCD 上。在 PC 模式下,USB 接口允許使用一臺(tái) PC 來控制運(yùn)行,并將數(shù)據(jù)輸出顯示在 PC 的顯示器上。如欲了解有關(guān) ADS1232REF 的更多詳情,敬請(qǐng)?jiān)L問 TI 的網(wǎng)站下載《用戶指南》。
圖 5 ADS1232REF 電子秤參考設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖
圖 6 ADS1232REF 電子秤參考設(shè)計(jì)
總之,在各種應(yīng)用中電子秤正變得越來越流行。負(fù)載單元也許是最為常見的重量傳感器,其輸出的信號(hào)極小,要將這種小信號(hào)精確地測(cè)量出來是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。ADS1232 和 ADS1234 提供了單芯片解決方案,使電子秤設(shè)計(jì)人員可以輕松快速地開發(fā)出一種小型低成本高性能的電子秤。ADS1232REF 參考設(shè)計(jì)允許用戶使用自己的負(fù)載單元來對(duì) ADS1232 進(jìn)行性能評(píng)估,并作為完整電子秤設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。