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- ΔADC，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) 現電子枰的身影。在動(dòng)態(tài)稱(chēng)重和快速稱(chēng)重領(lǐng)域對 稱(chēng)重傳感器和米集電路的穩定性、米集精度、米 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、Z-A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,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3^Vpp/V 噪聲、3ppm/°C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。