基于Sigma-Delta ADC在衡器中的应用

美国模拟器件公司　宋浩然聂海霞　基于Ｓｉｇｍａ－Ｄｅｌｔａ　ＡＤＣ在衡器中的应用　Ｓｉｇｍａ－Ｄｅｌｔａ　Ｂａｓｅｄ　ＡＤＣ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｗｅｉｇｈｔ　Ｃｈｅｃｋｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ　引言　约为３５０欧姆。此类传感器主要的参数　Ｏ＋０２％，这是一个非常重要的指标参　目前，高精度和低成本是衡器的　如下：　数，决定了后而信号处理电路、ＡＤＣ的　发展趋势，这就对高性能的信号处理　灵敏度　分辨率、运放电路及滤波电路的选择。　提　了更高的要求。对ｌ：３０００或者１：　典型传感器的灵敏度一般为２ｍＶ／　漂移　１００００的衡器来说，一个１２或者１４位　Ｖ。对于这样的传感器，在５Ｖ电压激励　传感器输出通常会随时间漂移。　的ＡＤＣ似乎就可以满足要求。但是实　的情况下，最大的输出为１０ｍＶ。但是　图２显示了一个实际传感器在２４小时　际应用中ＡＤＣ的精度需要达到２Ｏ位。　为了保证线性的电压输出，通常只用　内的漂移，（此数据是在恒温下用２４位　本文对此介绍了衡器审计的一些系统　到最大输出范围的２／３，一般为６ｍＶ　在　ＡＤＣ进行的测量），结果有１２５ＬＳＢ的　指标和设计思想，并着重于峰－峰值的　恶劣的工业环境下，对如此小的信号　漂移。　噪声分辨率、ＡＤＣ动态范围、增益漂移　进行高精度的测量，并不是一个容易　和软件滤波的提高。最后，通过具体的　的工作。　衡器系统分析　参考设计进行详细的数据分析。　整体误差　对于衡器系统来说，最重要的参　整体误差是指输出误差和输出电　数指标为内码、ＡＤＣ动态输人范围、无　传感器简介　压的比值。典型的衡器系统一般为　噪声分辨率、转换速率、系统增益以及　通常，比较常见的衡器传感器是　桥式电阻形式，输出电压线形正比于　施加在上面的压力。图１是以比较典型　的四个电阻组成的桥式电阻，可变电　阻随压力变化产生于共模电压上的差　分电压。典型的桥式电阻的等效阻抗　＋　６ｍＶ　ｌ　、『Ｉ，１Ｉｌ，、Ｉｆ．ｅｃｎｃｈｉｎａ。ｃｏｍ　ＥｊＣｌ　２００６．４・　……．一　－　＿　｝　维普资讯 http://www.cqvip.com

；　一量的方法。　内码　・—ｌｌＩ一衡器的显示分辨从低端的ｌ：３０００　显示的称为外码。为了保证外码的精　　增益的漂移。Ｉ－ｄｌ￣，ｆ为了降低电源方面　的影响，衡器系统－般都采用比例删　到高端的１：１０，０００。例如，对于…个　度，通常需要更高数量级的内码作为　满量程５ｋｇ，输出显示１０，０００码的衡　保证。例如，一些标准的衡器就需要内　器，它的分辨率为０．５ｇ，这个在ＬＣＤ上　码为２０倍的外码，因此就需要１：２００，　一　・２００６．４　ＷＷＷ．ｅｃｎｃｈｉｎａ．ｃｏｍ　０００的内码分辨率。　ＡＤＣ动态范围　图３是一个典型衡器的电路框图。　当传感器满量程输出６ｍＶ，增益设为　２５６时，ＡＤＣ的输入范围为１５３６ｍＶ，如　果参考电压为５Ｖ，这就意味着只利用　约１／３　ＡＤＣ的动态范罔。如果对　１５３６ｍＶ需要达到１：２００，０００内码的　要求，那就需要ＡＤＣ可以达到ｌ：６００，　０００的分辨率，也就需要ｌ９—２０位的精　度。　漂移　衡器一般最高工作范围为－１　０℃　－５０￣Ｃ。很多工程师只考虑室温情况下　的系统精度，而忽略的温度变化给系　统带来的误差。例如，一个有ｌｐｐｍ／￣Ｃ　的增益误差的２０位系统，在５０℃范围　内会产生５０ＬＳＢ的误差。因此，选择低　增益漂移的ＡＤＣ也是设计衡器的关　键。　无噪声分辨率　对于很多工程师来说都会混淆有　效值噪声和峰一峰值噪声这两个参数。　对衡器应用来说，最重要的参数为峰－　峰值噪声，或者为无噪声分辨率。有效　值噪声乘以６．６倍为峰一峰值噪声。　转换速率　转换速率也是一个关系到系统精　度的重要参数。例如，存转换速率为　４Ｈｚ的ＡＤＣ，峰－峰值分辨率可以达到　２０．５位，提高速率到５００Ｈｚ以后，峰，　峰值分辨率就｝｛能达到１　６位。因此，在　衡器应用中，就需要平衡转换速率和　维普资讯 http://www.cqvip.com

精度这两个矛盾的参数。　衡器的参考设计　选择ＡＤＣ　由于Ｓｉｇｍａ—Ｄｅｌｔａ结构的ＡＤＣ在低　转换速率的情况下具有低噪声、线性　好的特点，并且内部可集成噪声整形　和数字滤波器电路，很大程度上减少　了后端信号处理的工作，因此衡器系　统中一般都采用这种结构的ＡＤＣ。同　时ＡＤＣ还可以集成内部的可编程增益　的运算放大器ＰＧＡ，这种集成的ＰＧＡ　具有比较好的温度特性。ＡＤＩ公司的高　作为微控制器进行数字接口和后端的　效值噪声（ＲＭＳ　ｎｏｉｓｅ）（ＬＳＢ）　性能多通道Ｓｉｇｍａ－ＤｅｌｔａＡＤＣ，ＡＤ７７９９，　数据处理。　峰－峰值噪声（Ｐｋ－Ｐｋ　Ｎｏｉｓｅ）＝６，６　Ｘ　噪声只有２７ｎｖ／ｇ　Ｈｚ，内部集成增益可　测试结果　ＲＭＳ　ｎｏｉｓｅ（ＬＳＢ）　到１　２８倍的ＰＧＡ，并且可直接和传感器　图６、７为参考设计下的测试结果。　噪声位数（Ｎｏｉｓｅ　ｉｎ　Ｂｉｔｓ）－Ｌｏｇ（ＰＫ－　相连，是一款很适合衡器应用的ＡＤＣ。　所有的图显示了ＡＤＣ输出结果的标准　ＰＫ　Ｎｏｉｓｅ）　图５就是ＡＤＩ公司自行设计的衡　偏差和有效值噪声。口丁以采用下面的　无噪声分辨率（Ｎ　Ｏｉ　Ｓ　ｅ　Ｆ　ｒｅ　ｅ　器参考电路的系统框图。ＡＤ７７９９作为　公式来计算无噪声分辨率。　Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）２４一Ｎｏｉｓｅ　ｉｎ　Ｂｉｔｓ（Ｂｉｔｓ）　ＡＤＣ进行数据采样和转换，ＡＤｕＣ８４７　标准偏差（Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）－有　图６显示了参考电压为输入信号　、『Ｉ『、『ｖｖｖ．ｅｃｎｃｈｉｎａ．ｃｏｍ　２００６．４－　州　＿　维普资讯 http://www.cqvip.com 时ＡＤＣ的输出结　。＾＾罔巾可以看到　重　加　传焙器卜，　・般郝甫要标准偏芹码３　２５ＬＳＢ，这样ｕＪ　＇以锋　峰　峰　声为２Ｉ　６５ｌ　ＳＢ，　声４．４２戗　殷　连接，ＡＤ７７９９的ＧＮＤ管啷接　模拟地　＇ＩＨＪ．我们采ＨＪ　模ｆ“和差ｃ（　＃电源稳定的ｎ・Ｊ　＇ｌｕＪ，昕以　软件辣法判Ｉ断ｍ　上。＾　有新１ｔ＇９；　力坐ｆ￣ｌｌｆ，，裁仃】埘后　６个数　黻球进行分离。Ｉｌ＿Ｊ　始琳具柯低蜘『Ｉｎ　埘２４似ＡＤｃ求｜兑．¨ｒ以褂别无噪声分　据　做滑动。Ｐ均．甫接娃示征ＬＣＤ　Ｉ　．　执低，高频【；　扰高的特性，我们姚町以　率为Ｉ　９　５８位　Ｉ习７　了洲髓传感　然后｝｛ｊ＝继续前　的　均算法。　ｍ档ＤＶＤＤＩ竹Ｉ断频噪声进八饪拟电ｉ』６１。　器的结果．ｆｉｓｌ拌ｎｒ“ｆｔｔ．Ｙ１］圮噪声分辨　书为１　９．４　。谜胜山ｆ々感器带束的噪声　引起　跳码的解决　最Ｊ　，－ｉ￣ｆ＇ｉ】乐Ｈ１０．Ｉ　平¨ＩＯＢＦ哪种不　当膻　正好处ｒ婀个卡Ｈ郫显．，ｌ￣／ｉｔｂ　类型的电容刈模拟羊¨数事电　进行滤　的Ｉｌ　（Ｉｉ＇ＪＩ１・Ｊ憔，ＬＣＤ就会冉　两个码ｌ　波，拌　叮能ｎ勺始蚯器ｆ＇１．管　■　ＡＤＣ性能　进行跳动，过种观敷　衡器ｔＩ・地　允　｝｝Ｉ卜ｊ　ｌ蚰声　肢ＡＤ转换的最化　ｎ：的，为ｒ倮址稳定ｎ　小，我们他Ｈ｛　噪　Ｉ＇ｔ９　任　使ｆｌ￣ｔ２１１他　定ｒ　输人　如卜－的弹浊：　时，ＡＤＣ的输…结粜也会成高斯分布。　赛蕾拉斯公司通过ｉｓｏｒｒｓ　Ｉ　６９４９国际汽车标准认证　眷昔扭斯半导体套司（Ｃｙｐｒｅｓｓ　证每｜火｛『ｉｌ．Ｅｆ：显示　１．软件都进行　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）宣布已通过面向汽　８艟示ｒ　ＡＤＣ输Ⅲ结　的　衔断札状　州断足　艟永的内容和Ｌ次一样。如　分怖罔。ｐ：Ｉ此噪声的仔ｍ限制了　棚㈨ｉ，ＬＣＤ照示就不变，继续Ｆ・个　ＡＤ７７９９的性能　如ｒ增加有效的竹辨　循环　女”　不ｌｉ『＝ｌ，｛址１门眺会计算这陌个　半和】　町能的减少噪声的影响．我们　娃示的内码的蕞．盘¨果整小于一定的　车工业的圃际标准化蛆炽，鞋术规范　ＩＳｏｆｒｓ　Ｉ６９４９认证。眷普拉斯，＾＼司　乖ｌｌ　ＡＤｕＣ８４７进行牌沾卜的滤波。　平均滤波的方法在保持阶跃响应　闽值．刚认为是ｌ驶声的影响，仍然　示　－ｌ　次ｎｃ＿Ｊ结果一如聚犬十・宅的　值，则　蜃量部执行剐总裁Ｓａｂｂａｓ　Ｄａｎｉｅｌ说：　ＩＳ０　Ｓ　１６９４９认证的通过证明了我　的同Ｉ１，ｆ，非常适合减少　噪声。在　更新为新的显示结粜。　们对Ｃｙｐｒｅｓｓ牢缺陷质量原则的秉　承．井且使我们‘建立与客户要术直　接挂钧的持久商业程序’的理念得　ＡＤＬｔＣｇ４７的软件中，我们采用滑动平　均的疗法米保　能和转换速率。　比例测量　为了得到最好的性能．我仃Ｉ侄参　反应时间的改善　考设计上采用了比例测靛的方法。这　到丁增强。凭借其时程序和质量计　划蝙制的专注，ＴＳ为我们提供了一　卜述的算法　可以提－黼噪声性能．　样传感器的输｝ｆ５精度就由激励电　米　仉是　ＨＥ力改变的叫候就会有问题。　决定　激勋电眶的漂移就会产生在桥　个用于不断提高性能标准的框架．　以满足客户对我们的期望。　１　政Ｊ监的时候．传感器的输山会　武电阻电　输ｕ１的漂移。采用同样的　舣快的转变为其他的电Ｊｌ　输ｌＩ】，根掷｝　激励电　作为ＡＤＣ的零考电　．这样　眷苷拉斯公司汽幸业务部常务　董事Ｄａｖｉｄ　Ｚｉｍｐｆｅｒ表示：“１ＳＯ／ＴＳ　卜述的算法．滤波辨的输¨１只有在经　过Ｍ次刷新屙　唷＆转监为Ｉ　确的输　陶此我们蒲婴特琳的算法求处腭压　管激励电　的漂移，并不会８｝；响　ＡＤＣ精度　同时，比例ｉ！Ｊｌ！Ｊ量的方法还可　以溅　擞砌电』　低频噪声时ＡＤＣ性能　１６９４９认证的通过证明Ｃｙｐｒｅｓｓ已部　暑了严格的程序互动，旨在把零敝　虹化带采的『亚应削ｆｕ｛Ｉ＂ｑ题　图９　示了　的影响　牡本『『ｃ『＿掉池。　陷和准肿建货能力推进至汽车行业　布版走线　为了ｊ占到ｓｉｇｍａ・Ｄｅｌｔａ　ＡＤＣ最好的　及其他客户。Ｃｙｐｒｅｓｓ的汽车胖决方　案．比如：ＣａｐＳｅｎｓｅ电容性感应界　先，聪们通过软件算法柬圳斩　　中　最重要　是　柯重量的变化，当琏续ｎ　个　性能，布版也非常戈健。乜源的避耦的合理【殳¨。　参　ＡＤＣ输出数搦与　前滤被器的ｉＦ均悄　为地手¨ｌ　衙分捌为模拟　，我ｆｌ’】认　考设讣中．我们把地，＝｝：两个地　面。ＡＤ７７９９跨狂两个　为是有重量的变他，ｌ２所以判断两次　和数ｔ面，ＵＳＢ主机，外设控制嚣，存储嚣　产品和图像恃感嚣号．是专为超越　的蕞人Ｆ一定闽值的情　汽车行业已有的高标准而设计的　俄认证进一步证赛了我们对汽车市　场所做的承诺　”　　ＡＤ７７９９　Ｉ　使川ｒ　点进｛　足｛柞除比较人的色刺Ｉ　骷三响。当新ｌ均　地　而　．２００６．４　ｗｗｗ　ｅｅｎｃｈｉｎａ．ｃｏｍ