AD7190 是一款專門為電子秤 、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現(xiàn)兩路傳感器動態(tài)稱重。本文主要介紹了在滿足復雜的工業(yè)環(huán)境下，實現(xiàn)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、防止動態(tài)漂移的補償電路等。通過測試可以實現(xiàn) 1kHz 采樣頻率下保持萬分之一的精度。

1.引言

隨著社會智能化水平的提高，電子稱重技術和電子衡器產(chǎn)品從靜態(tài)稱重向著快速稱重、動態(tài)稱重發(fā)展，應用領域也不斷擴大，在工廠包裝車間、物流分揀現(xiàn)場、載貨車輛檢測站等都可以發(fā)現(xiàn)電子秤的身影。在動態(tài)稱重和快速稱重領域?qū)ΨQ重傳感器和采集電路的穩(wěn)定性、采集精度、采集速度要求更高。本文根據(jù)以上需求，利用 ADI公司的 AD7190 芯片設計了一款可以滿足復雜環(huán)境下的稱重傳感器信號采集電路，較好的解決了以上問題。電子衡器是一個系統(tǒng)的設備，尤其是工業(yè)應用所涉及的安全性、穩(wěn)定性要求較高，本文內(nèi)容無法全部描述說明，本文將從設備的抗干擾和采集精度方面，著重介紹稱重傳感器的供電、信號的濾波、EMI 的抑制等幾個方面。

2.系統(tǒng)原理介紹

整個系統(tǒng)包括系統(tǒng)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(shù)據(jù)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，兩個部分的供電也由 DC- DC 隔離電源完全隔開，用以避免數(shù)字信號對模擬信號的電磁干擾。

系統(tǒng)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(tǒng)的模擬采集電路，電源管理電路前端已有 DC- DC 隔離電源，只需要增加簡單濾波電路即可。稱重傳感器接口電路外接的是系統(tǒng)供電的封閉傳感器，有時需要連接較長的導線，需要抑制無線電磁干擾。

系統(tǒng)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(shù)、濾波電路的性能等幾個方面，另外微處理器算法中要處理好稱重變送器的蠕變補償和系統(tǒng)環(huán)境的溫度補償問題。

3.系統(tǒng)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(nèi)置 128 倍 PGA、數(shù)據(jù)緩沖器、Σ- 調(diào)制器、后接數(shù)字濾波器。濾波器可通過寄存器配置為 SINC3 或 SINC4 濾波方式，SINC4 濾波方式具有更好的 50Hz/60Hz 抑制性能，在輸出速率較高時可提供更好的無噪聲分辨率，在 SINC4 濾波方式下最高可提供 1.2kHz 的采集速率。另外芯片內(nèi)置一個通道序列器 MUX，通過寄存器配置為兩路差分輸入，可用于兩路稱重傳感器測量。

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)絡中，通過 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系，當激勵源有波動時，輸出電壓也將不穩(wěn)定，所以我們將激勵電壓作為ADC 的基準電壓以降低波動的比例影響。輸出的信號經(jīng)過 MUX 通道選擇、128 倍 PGA 放大、SINC4 濾波后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出。

3.2激勵源電路設計

根據(jù)稱重傳感器的特性，需要設計一個穩(wěn)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，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)過運放跟隨器以提高阻抗，使輸出電壓更穩(wěn)定，跟隨器控制場效應管擴流，經(jīng)過鉭電容濾波，得到低紋波、大電流電壓源，電壓源可用于 AD7190 數(shù)字電壓源 DVDD 供電。由于電路的模擬電源和數(shù)字電源是通過單點連線隔離的，所以上述得到的電壓源和地經(jīng)過三端濾波電容 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

稱重傳感器按照接線方式分為四線制、五線制、六線制、七線制，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，區(qū)別在于后三項的有無。本電路稍微調(diào)整激勵反饋部分可滿足上述各線制接法，PWR_SW 接口用于電橋關斷開關，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 TVS管和 EMI 電容用于抑制電磁干擾，經(jīng)過共模扼流圈用于抑制共模信號干擾，隨后經(jīng)過兩級電容濾波進入 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(nèi)。對激勵源反饋線進行相同處理，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(wěn)定的電壓源，濾波電路濾除了環(huán)境對傳感器的干擾，電路在長時間工作時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)過分壓得到 20mV 直流信號源，信號源經(jīng)過一級放大跟隨器以提高阻抗，再經(jīng)過濾電容波和磁珠后得到穩(wěn)定 20mV 參考源接入到另外一路ADC 輸入口。在配置 AD7190 時開啟多通道循環(huán)連續(xù)轉(zhuǎn)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，我們認為激勵源電壓或是內(nèi)部放電電路產(chǎn)生漂移，記錄保存該值，進而在處理采集的傳感器數(shù)據(jù)時進行比例增減運算。當傳感器值產(chǎn)生微小變化而補償電路沒有變化時，我們認為傳感器發(fā)生了蠕變，在處理采集的傳感器數(shù)據(jù)也要進行相應處理。另外環(huán)境溫度的變化，元器件在長時間工作時產(chǎn)生的變化都會影響采集的準確度，處理方式在其他文章中多有提及，這里不再介紹。

4.總結(jié)

根據(jù)作者多年的工作經(jīng)驗，結(jié)合現(xiàn)實工業(yè)環(huán)境需求，設計了一款可以滿足多數(shù)應用的稱重傳感器采集電路。選用的 AD7190 芯片應用簡單、內(nèi)置的 MUX、PGA 和 SINC4 功能都符合稱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，并要與其他設備進行實時交互通信，建議選用 ARM、CPLD、DSP 等運算芯片。設備在工作時建議安裝金屬屏蔽罩并接地以降低電磁干擾。