AD7190 是一款專(zhuān)門(mén)為電子秤 、應變計傳感器設計的超低噪聲 24 位Σ- ADC，可以用較少的外圍電路實(shí)現兩路傳感器動(dòng)態(tài)稱(chēng)重。本文主要介紹了在滿(mǎn)足復雜的工業(yè)環(huán)境下，實(shí)現高速、高精度采集的 AD7190 芯片外圍電路設計，包括低紋波、大電流的基準源電路、防止 EMI 干擾的前端濾波電路、防止動(dòng)態(tài)漂移的補償電路等。通過(guò)測試可以實(shí)現 1kHz 采樣頻率下保持萬(wàn)分之一的精度。

1.引言

隨著(zhù)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(zhù)快速稱(chēng)重、動(dòng)態(tài)稱(chēng)重發(fā)展，應用領(lǐng)域也不斷擴大，在工廠(chǎng)包裝車(chē)間、物流分揀現場(chǎng)、載貨車(chē)輛檢測站等都可以發(fā)現電子秤的身影。在動(dòng)態(tài)稱(chēng)重和快速稱(chēng)重領(lǐng)域對稱(chēng)重傳感器和采集電路的穩定性、采集精度、采集速度要求更高。本文根據以上需求，利用 ADI公司的 AD7190 芯片設計了一款可以滿(mǎn)足復雜環(huán)境下的稱(chēng)重傳感器信號采集電路，較好的解決了以上問(wèn)題。電子衡器是一個(gè)系統的設備，尤其是工業(yè)應用所涉及的安全性、穩定性要求較高，本文內容無(wú)法全部描述說(shuō)明，本文將從設備的抗干擾和采集精度方面，著(zhù)重介紹稱(chēng)重傳感器的供電、信號的濾波、EMI 的抑制等幾個(gè)方面。

2.系統原理介紹

整個(gè)系統包括系統供電電路、傳感器激勵源電路、傳感器前端濾波電路、基準補償電路和單片機數據處理電路，如圖 1 所示。其中模擬信號采集電路和單片機處理電路用 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)，用以避免數字信號對模擬信號的電磁干擾。

系統的抗干擾性主要提高設備通信接口、電源接口和傳感器接口等與外部設備接口的抗電磁脈沖干擾性能。對于本系統的模擬采集電路，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供電的封閉傳感器，有時(shí)需要連接較長(cháng)的導線(xiàn)，需要抑制無(wú)線(xiàn)電磁干擾。

系統的采集精度取決于 ADC 芯片的精度、放大電路的性能、傳感器激勵源的紋波系數、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)重變送器的蠕變補償和系統環(huán)境的溫度補償問(wèn)題。

3.系統電路設計

3.1AD7190 應用

AD7190 是一款適用于高精密測量應用的 24位低噪聲模擬信號采集芯片，內置 128 倍 PGA、數據緩沖器、Σ- 調制器、后接數字濾波器。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)重傳感器測量。

如圖 2 所示，顯示了 AD7190 在電子秤中的應用，負荷傳感器位于電橋網(wǎng)絡(luò )中，通過(guò) 5V 激勵源供電，輸出電壓為 0mV～10mV。傳感器輸出的電壓和激勵源電壓成比例關(guān)系，當激勵源有波動(dòng)時(shí)，輸出電壓也將不穩定，所以我們將激勵電壓作為ADC 的基準電壓以降低波動(dòng)的比例影響。輸出的信號經(jīng)過(guò) MUX 通道選擇、128 倍 PGA 放大、SINC4 濾波后轉化為數字信號輸出。

3.2激勵源電路設計

根據稱(chēng)重傳感器的特性，需要設計一個(gè)穩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量事件有關(guān)，盡可能的降低負載變化影響[2]，本文選用基準電壓芯片外加 CMOS 管擴流的恒壓源的方案。REF5050 是一款 3μVpp/V噪聲、3ppm/℃漂移精密電壓基準，輸出電壓經(jīng)過(guò)運放跟隨器以提高阻抗，使輸出電壓更穩定，跟隨器控制場(chǎng)效應管擴流，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 數字電壓源 DVDD 供電。由于電路的模擬電源和數字電源是通過(guò)單點(diǎn)連線(xiàn)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(xiàn)方式分為四線(xiàn)制、五線(xiàn)制、六線(xiàn)制、七線(xiàn)制，包括激勵源正、激勵源負、信號輸出正、信號輸出負、激勵源反饋正、激勵源反饋負、屏蔽線(xiàn)，區別在于后三項的有無(wú)。本電路稍微調整激勵反饋部分可滿(mǎn)足上述各線(xiàn)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 正 、 負 對 地 電 源 約 為AVDD/2，差分電壓為 0mV～10mV。信號經(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干擾，隨后經(jīng)過(guò)兩級電容濾波進(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。對激勵源反饋線(xiàn)進(jìn)行相同處理，都是用于抑制傳感器在復雜工業(yè)環(huán)境下的電磁干擾。

3.4 補償電路與用法

以上激勵源電路給傳感器提供了低紋波、穩定的電壓源，濾波電路濾除了環(huán)境對傳感器的干擾，電路在長(cháng)時(shí)間工作時(shí)的漂移和蠕變需要補償電路和補償算法處理。

如圖 5 所示，REF5050 基準電壓芯片輸出的5V 電壓經(jīng)過(guò)分壓得到 20mV 直流信號源，信號源經(jīng)過(guò)一級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)連續轉換功能，循環(huán)檢測傳感器 AD 值和補償電路AD 值，當補償電路值變化時(shí)，我們認為激勵源電壓或是內部放電電路產(chǎn)生漂移，記錄保存該值，進(jìn)而在處理采集的傳感器數據時(shí)進(jìn)行比例增減運算。當傳感器值產(chǎn)生微小變化而補償電路沒(méi)有變化時(shí)，我們認為傳感器發(fā)生了蠕變，在處理采集的傳感器數據也要進(jìn)行相應處理。另外環(huán)境溫度的變化，元器件在長(cháng)時(shí)間工作時(shí)產(chǎn)生的變化都會(huì )影響采集的準確度，處理方式在其他文章中多有提及，這里不再介紹。

4.總結

根據作者多年的工作經(jīng)驗，結合現實(shí)工業(yè)環(huán)境需求，設計了一款可以滿(mǎn)足多數應用的稱(chēng)重傳感器采集電路。選用的 AD7190 芯片應用簡(jiǎn)單、內置的 MUX、PGA 和 SINC4 功能都符合稱(chēng)重傳感器的需要且性能較好。針對和采集電路配套的單片機處理部分，要處理大量的 FIR 或卷積運算，并要與其他設備進(jìn)行實(shí)時(shí)交互通信，建議選用 ARM、CPLD、DSP 等運算芯片。設備在工作時(shí)建議安裝金屬屏蔽罩并接地以降低電磁干擾。