改进电子秤的性能

1、改进电子秤的性能使用具有 10,000 计数分辨率能够测量高达 5kg 重量的电子 秤能够具有0. 5g重量分辨率。正如在液晶显示器（LCD）上看到 的，这种分辨率通常是指外部计数。 为了确保满足外部计数精度， 通常内部分辨率必须具有高于外部分辨率一个数量级的精度， 有 些标准规定内部计数精度比外部计数精度高20 倍。在这种情况下，内部计数必须精确到是 1：200,000 。在大多数电子秤应用中，实际上仅使用ADC动态范围的一小 部分。如图I所示，称重传感器（又称作负荷传感器）采用5 V电 源供电，其满量程输出是10mV线性范围是6mV如果前端电路 级的增益为128，则ADC的满量程输入大约是

2、 768mV如果采用 2. 5V的基准电压，则只使用了不足三分之一的ADC动态范围。如果内部计数在满量程范围 768mV内必须精确到1: 200,000 ,则ADC精度应该比上述分析中的 ADC提高34倍以满 足性能要求。在这种情况下需要具有 19-20bit 精度的 ADC。工业电子秤系统通常工作在超过50C的温度范围，因此温度漂移可能是其主要的误差来源。例如，具有1 ppm/C增益漂移的20bit精度的系统在50C的温度范围内会产生 50LSB的误 差。虽然系统在25C时可以精确到1LSB,但它在超过满温度范 围时仅精确到50LSB因此当设计电子秤时选用低漂移 ADC非常 重要。失调漂移并

3、不是一个很重要的考虑因素。大多数的刀- ADC采用“斩波”技术，这种技术具有降低漂移和提高抗噪声 干扰的优势。 大多数电子秤设计工程师都会大大受益于斩波技术 优越的低漂移性能和抗噪声干扰能力。例如， AD779924 bit Z-A ADC的失调漂移指标仅为10nV/C。在20bit系统中，其在全部 50C的工作范围内仅产生 1 / 4LSB的误差。人们在阅读芯片使用说明时犯的一个普遍错误就是将有效值(RMS)噪声与峰峰值(pk-pk)噪声混淆。对于电子秤应用，最重 要的技术指标是pk-pk噪声或者是无噪声分辨率。ADC的无噪声 分辨率是指超过这个位 (bit) 数它就不能清楚分辨个别编码的分

4、 辨率。系统的pk-pk分辨率取决于ADC勺更新速率。例如，当AD7799 的更新速率为 4Hz 时，它能达到 205 bit 的 pk-pk 分辨率；当 为500Hz时，pk-pk分辨率降低到16 bit。在电子秤系统中，设 计工程师需要折衷 ADC的最大采样速率和显示器的最小更新速 率。对于高端电子秤，通常使用 10 Hz 的采样速率。在低更新速率时对低噪声和高线性度的要求使得Z-AADC成为电子秤的最佳选择。Z- ADC的第二个优点是内置的噪声整形 和数字滤波。 首先量化噪声可扩展到调制频率的一半。 然后限制 数字滤波器的带宽只通过低频输出， 从而显著地减少对复杂后处 理的要求。ADC也

5、应该包含一个低噪声可编程增益放大器 (PGA)以放大 称重传感器的微弱信号输出。 这种内PGA与使用外部增益电阻器 的分立放大器相比可提供低温度漂移。专用于电子秤应用的 AD7799具有27nV/Hz噪声指标并且集成了一个可提供高达 128增益的PGA因此称重传感器可直接与 ADCS接。AD7799的有效分辨率受噪声的限制，并且随着其输出数据 数率和增益设置而变化。 平均值滤波器可以用来增加有效分辨率 并且去除尽可能多的噪声， 从而可在保持最急剧的阶跃响应的同 时减少随机噪声。该滤波器从ADC取 M个数据点，删除最小数据 点和最大数据点，然后对 M 2个点作平均。采用的公式为：输出数据数率保持

6、不变。 这属于一阶平均。 对于更高的更新 速率，通常需要使用二阶平均。在这里，对第一级的输出再作第 二级的平均处理以进一步改进测量结果。 平均可将有效分辨率提 高 23bit（ 从 196 bit pk-pk 到 21 9bitpk-pk） 。其唯一的 缺点就是由于流水线延迟而延长了建立时间，滤波器经过M个周期的权重值变化之后才指示正确结果。为了加快建立时间， 权重值变化应该发生在两个数据点的差 值和滤波器的输出都超过阈值时。第二级的全部M个数据点使用 最新数据以加快建立时间。 称重传感器也具有建立时间问题， 可 通过使用最新的ADC数据刷新平均窗口中的所有数据来改善建 立时间。经过 6 个刷新周期之后重新开始平均。当待测的重量位于两个相邻显示重量之间的接近跳变时， 显 示值将在这两个重量值之间闪烁。 为了保持显示值稳定， 由软件 判断一个周期中的重量值是否与前一个周期中的重量值相等。 如 果相等，则LCD的输出不改变。如果不等并且这两个周期之间的 内部代码差值比阈值小，则将这种变化看作是噪声， 它对LCD输 出的微小作用不会刷新显示值。 如果差值大干阈值， 则显示值会 刷新。为了获得最佳性能， 我们采用了比率式测量方法。 电桥的激 励电压直接决定称重传感器的输出精度。 电桥的输出直接与激励 电压成比例， 并且激励电压的任何漂移都会在电桥输