單芯片解決方案的高精度數字化電子秤你值得擁有

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 (Whetstone bridge) 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 ADS1232/4 PGA 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。

PGA 之后是一個板上 24 位 Δ-Σ ADC，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 10 SPS 時，可同時抑制 50 Hz 和 60 Hz 線壓周期干擾，同時更高的速