AD7190是一款專門為電子秤、應(yīng)變計傳感器設(shè)計的超低噪聲24位 Σ- ΔADC，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(fù)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(shè)計，包括低紋波、大電流 的基準(zhǔn)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(shù) 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(yīng)用領(lǐng)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)電子枰的身影。在動態(tài)稱重和快速稱重領(lǐng)域?qū)?/span> 稱重傳感器和米集電路的穩(wěn)定性、米集精度、米 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(shè)計了一款可以滿足復(fù)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(shè)備，尤其是工 業(yè)應(yīng)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(shè)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(zhǔn)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(shè)備通信接口、電 源接口和傳感器接口等與外部設(shè)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(dǎo)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(shè)計

3.1AD7190 應(yīng)用

AD7190是一款適用于高精密測量應(yīng)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、Z-A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(yīng) 用，負(fù)荷傳感器位于電橋網(wǎng)絡(luò)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(guān)系，當(dāng)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(zhǔn)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(shè)計

根據(jù)稱重傳感器的特性，需要設(shè)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(guān)，盡可能的降低負(fù)載 變化影響,本文選用基準(zhǔn)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(zhǔn)，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(yīng)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(fù)、 信號輸出正、信號輸出負(fù)、激勵源反饋正、激勵 源反饋負(fù)、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(guān)斷開關(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(fù)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(fù)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(zhǔn)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(dāng)補償電路值變化時，我們認(rèn)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(dāng)傳感器值產(chǎn)生微小變化而補償電路沒有變 化時，我們認(rèn)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(yīng)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(zhǔn)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(shè)計了一款可以滿足多數(shù)應(yīng)用的稱重傳 感器采集電路。選用的AD7190芯片應(yīng)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(shè)備進行實時交互通信，建議選用ARM、 CPLD、DSP等運算芯片。設(shè)備在工作時建議安裝 金屬屏蔽罩并接地以降低電磁干擾。