ADS1232和ADS1234：針對電子秤的全套前端解決方案

ADS1232和ADS1234均為德州儀器(TI)推出的橋接傳感器模數轉換器(ADC)。為了更好地了解這些ADC，讓我們首先來了解一下目標應用：電子秤。電子秤的應用范圍及數量正日益增長。例如，商用電子秤以重量來記錄商品的價格。在運輸方面，用電子秤來核實運輸貨物的重量。計算盤通過監控包裝裝配線容器的重量來確定裝滿容器的時間，科學用秤則用來在實驗期間提供重量的精確度分析。

無論是何種應用，所有這些不同類型電子秤的核心都是一個高精度數字化過程，即將被測量物體的重量轉換成一個可以顯示或者可以進行數據資料記錄的數字值。盡管將重量轉換為電子信號有多種方法，但最為常用的方法也許是采用一個配置為惠斯通電橋(Whetstonebridge)的阻性負載單元。圖1顯示了一個橋接結構，在該橋接中，其中一個電阻的值會因施加的重量不同而不同。根據該橋接的不同結構，當施加重量時會有更多電阻器的值可能會發生改變。不管怎樣，可以在該橋接的頂部和底部應用一個激發電壓。在中間節點上，以差動電壓的形式對輸出信號進行測量。


圖1惠斯通電橋阻性負載單元

設計電子秤時面臨的挑戰是：如何對電阻橋接產生的信號進行高精度測量，這是因為該信號通常很小。負載單元通常由輸出電壓來確定，該輸出電壓是在施加負載單元最大額定重量時為1V激發電壓產生的。規格以單位mV/V來確定。例如，由5V電壓激發的4mV/V負載單元所具有的滿量程輸出電壓僅為20mV。請記住，這是最大輸出電壓。為了確定數字轉換器要求的精確度，該橋接的滿量程電壓必須除以理想的秤精度（其通常以計數來表示）。假設為同樣的4mV/V負載單元由5V電壓激發，則該秤要求有一個20,000精度的計數。反過來，這就要求數字轉換器能夠對(4mV/V)(5V)/20,000=1000nV的信號進行重復測量。

那么，讓我們來進行更具挑戰性的設計吧！為了獲得優異的電子秤設計，數據讀取必須極其穩定。也就是說，不能存在由于噪聲干擾而出現代碼之間閃爍或切換。這一要求對數字轉換器又提出了更多的要求，從而需要比電子秤向用戶報告的數值更為精確的內部精度。具有比顯示值高出10倍的內部精確度并不罕見。如果是在前面的負載單元實例中，則要求具有100nV的內部精度！

假設存在極小的橋接傳感器信號且需要極高精度的測量，許多電子秤廠商過去一直使用一種極低噪聲增益級在數字化之前放大來自橋接的信號。許多電子秤上重量變化相對較慢的情況下，增益級帶寬通常并不是一個大問題。盡管如此，關鍵是增益級能夠在溫度和時間變化中均要非常穩定。大多數電子秤只需要廠方或用戶定期校準即可。由PGA時間或者溫度漂移引起的任何增益改變，都會對電子秤的精確度產生負面影響。實際上，在一些高端電子秤設計中，增益級在時間和溫度變化中的穩定性就決定了整個電子秤的規格。通常，PGA后面的一個高精度模數轉換器(ADC)會對放大電壓進行數字轉換。在被測量信號緩慢地不斷變化并需要極高精度的情況下，則常常使用Δ-Σ拓撲來實施ADC。由于使用了增益級，因此ADC對于時間和溫度的穩定性就變得非常重要，以免制約整體性能。

此外，由于可以將橋接激發電壓用作參考電壓（參見圖2），所以ADC應能進行“比例計量”測量。來自橋接的輸出信號與帶有衰減系數的激發電壓成正比例關系，而這種衰減系數由施加于負載單元的重量來決定。通過使用ADC以“比例計量”的方式對負載單元信號進行測量，也就是說將激發電壓作為ADC的參考電壓可以抵消該激發電壓絕對值的變化。但這種做法反過來又會降低電子秤設計的靈敏度與穩健性。


圖2利用一個ADC對負載單元的比例計量測量

考慮到這些要求，TI開發出了ADS1232（雙通道輸入）和ADS1234（四通道輸入），為電子秤設計人員提供了一個簡單的高性能、低成本、單芯片橋接傳感器輸出數字化解決方案。ADS1232和ADS1234均在一個電子秤前端（見圖3）中集成了所有的關鍵模塊，唯一的區別在于他們所支持的輸入通道數目有所不同。一種可編程增益放大器(PGA)允許用戶選擇增益系數為1、2、64或128的增益。當橋接被直接連至ADS1232/4時，才使用增益系數為64和128的增益。增益系數1和2的增益允許在橋接和ADS1232/4之間使用一個可選外部增益級。運用TI新型先進高性能、亞微米混合信號CMOS工藝制造出來的ADS1232/4PGA是一款創新型解決方案，其具有最小化低頻噪聲和在整個溫度范圍內保持最小失調漂移的特性。PGA中使用的高精度板上電阻器能夠在整個溫度與時間范圍內提供出色的增益穩定性。


圖3ADS1232/4結構圖

PGA之后是一個板上24位Δ-ΣADC，其允許使用5V參考電壓，以支持比例計量測量。該ADC的板上數字濾波器提供了一個10采樣/秒(SPS)或80SPS的可選數據速率。當采用10SPS時，可同時抑制50Hz和60Hz線壓周期干擾，同時更高的速度帶來更快的更新。這對于那些需要快速響應的電子秤或者要求高數據速率的后處理算法而言非常有用。

盡管在需要時可以使用一個外部時鐘源，但是ADS1232/4的高精度板上振蕩器無需使用一個外部振蕩器或晶振即可工作。ADS1232/4的所有控制均由一些專門引腳來實現。通過消除對所有寄存器進行編程的需要，這種架構極大地簡化了軟件開發。最后，通過一種簡單的只讀接口可以輕松檢索ADC的數據輸出。由于TI混合信號工藝的高密度容量，ADS1232能夠適合于24引腳超薄緊縮型小外形封裝(TSSOP)，而ADS1234則采用28引腳TSSOP。

為了更好地說明ADS1232/4的性能，圖4顯示了一個10秒間隔的輸出讀數，其數據速率為10(SPS)，PGA增益系數為128，參考電壓為5V橋接激發電壓。左軸以最低位(LSB)為單位顯示了ADS1232/4的輸出讀數，而右軸則以nV為單位顯示了該輸出讀取。均方根(rms)噪聲僅為17nV，峰至峰噪聲僅為110nV。回過頭再去看一下前面提到的那個5V激發電壓的4mV/V負載單元實例，ADS1232在同該負載單元一起使用時，會提供超過180,000計數的內部精度，并且無需額外的組件或者輸出數據的后處理。ADS1232/4的噪聲將會以數據速率、PGA和參考電壓函數的形式而變化，注意到這一點非常重要。您可以登錄網站www.ti.com獲得有關ADS1232/4的產品說明書，其中提供的噪聲列表顯示了不同設置情況下的性能。


圖4ADS1232噪聲性能

作為對電子秤設計人員的一種幫助，TI還開發出一種使用ADS1232的電子秤參考設計，即ADS1232REF。圖5顯示了其結構圖。ADS1232作為該設計的核心，直接將電子秤負載單元信號數字化。MSP430微控制器可收集ADS1232數據，驅動LCD顯示，對來自交換機的用戶輸入進行譯碼，并通過一個USB連接同一臺可選PC進行通信。圖6突出顯示了該電路板的幾個關鍵元件。用戶將負載單元連接至指示的連接器。跳線可以在ADS1232輸入的前面繞過可選RC濾波器。可以將參考電壓在一個外部激發電壓或模擬電源之間進行切換。電源由一個外部DC電源提供。在獨立模式下，主控制開關控制整個運行。然后，MSP430將用戶選擇的數據顯示在LCD上。在PC模式下，USB接口允許使用一臺PC來控制運行，并將數據輸出顯示在PC的顯示器上。如欲了解有關ADS1232REF的更多詳情，敬請訪問TI的網站下載《用戶指南》。


圖5ADS1232REF電子秤參考設計結構圖


圖6ADS1232REF電子秤參考設計

總之，在各種應用中電子秤正變得越來越流行。負載單元也許是最為常見的重量傳感器，其輸出的信號極小，要將這種小信號精確地測量出來是一個巨大的挑戰。ADS1232和ADS1234提供了單芯片解決方案，使電子秤設計人員可以輕松快速地開發出一種小型低成本高性能的電子秤。ADS1232REF參考設計允許用戶使用自己的負載單元來對ADS1232進行性能評估，并作為完整電子秤設計的基礎。