图2.长期称重传感器稳定性—24小时绘图。
电子秤系统
设计电子秤系统时要考虑的最重要参数是内部计数、ADC动态范围、无噪声分辨率、更新速率、系统增益和增益误差漂移。系统必须设计为比率式，因此与电源电压无关——这将在后面讨论。
内部计数
如前所述，用户看到的典型电子秤系统的分辨率范围从低端的1：3，000到高端解决方案的1：10，000。例如，一个称重秤的重量分辨率可达5公斤，计数为1：10，000，重量分辨率为0.5克。此分辨率（如LCD显示屏所示）通常称为外部计数。为了保证准确满足此分辨率，系统的内部分辨率必须至少提高一个数量级。事实上，一些标准规定系统的内部计数比外部计数好20倍。对于上面的示例，内部计数需要为1：200，000。
图3.典型的称重系统。
模数转换器动态范围
在使用标准高分辨率A/D转换器的电子秤应用中，不太可能使用ADC的整个满量程范围。在图1的示例中，称重传感器具有5V电源和10mV满量程输出。线性范围为6mV。在前端使用增益为128级时，ADC输入将看到约768mV满量程。如果使用标准2.5V基准电压源，则仅使用ADC动态范围的30%。
如果在1mV满量程范围内，内部计数需要精确到200：000，770，则ADC需要提高3×至4×才能满足性能要求。在这种情况下，对于1：800，000的计数，ADC将需要19位到20位的精度。现在可以理解信号处理要求带来的实际挑战。
增益和失调漂移
失调漂移不是那么大的考虑因素。大多数Σ-Δ型ADC采用固有的斩波模式技术设计，具有漂移更低、抗1/f噪声能力更强等优点，这对电子秤设计人员非常有用。例如，AD7799模数转换器的失调漂移规格为10nV/°C。在20位系统中，在整个1度工作范围内，总共仅产生4/50LSB误差。
无噪声分辨率
更新速率
在图4中可以看出，系统的无噪声分辨率取决于ADC的更新速率。例如，使用2.5V基准电压源和4.17Hz的更新速率，分辨率为20.5位p-p（增益为128）;而在500Hz时，分辨率降低到16.5位。在电子秤系统中，设计人员需要在ADC采样的最低更新速率与更新LCD显示屏所需的输出数据速率之间取得平衡。对于高端电子秤，通常使用10HzADC更新速率。
表I：采用7799.2V基准电压源时AD5的输出RMS噪声（mV）与增益和输出更新速率的关系
表二.AD7799的典型分辨率（位）与增益和输出更新速率的关系
图4.AD7799模数转换器的等效输入噪声和分辨率。
电子秤参考设计
选择最佳ADC
用于电子秤应用的最佳ADC架构是Σ-Δ，因为它具有低噪声和低更新速率下的高线性度。另一个好处是噪声整形和数字滤波在片内实现。高频调制器中的集成可形成量化噪声，使噪声被推到调制器频率的一半。然后，数字滤波器将响应限制在明显较低的频率。这大大减少了用户对ADC数据进行复杂后处理的需求。
图5.参考设计框图。
测试结果
下图显示了使用电子秤参考设计的一些测试结果。所有结果均基于测量ADC输出代码的标准偏差，实际上是均方根噪声。为了转换为“无噪声分辨率代码”，我们使用以下计算：
标准偏差=均方根噪声（LSB）
峰峰值噪声=6.6×均方根噪声（LSB）
以分辨率位为单位的噪声=log2（p-p噪声）
ADC无噪声分辨率（位）=24–（以位为单位的噪声）
=24–日志2（6.6×均方根噪声（LSB））分辨率位
图6显示了使用基准电压作为ADC输入的测量数据。实测基准的标准分布为3.25LSB。乘以6.6计算峰峰值噪声得到21.65LSB。将其转换为分辨率位会产生4.42位噪声。对于24位ADC，这意味着19.58位的“无噪声分辨率”。图7显示了在典型称重传感器上完成的相同测试。在这种情况下，“无噪声分辨率”为19.4位。这意味着称重传感器本身只会给最终结果增加0.2位噪声，因此ADC显示为该噪声的主要贡献者。
图6.AD7799在以下条件下的噪声性能：增益=64，更新速率=4.17Hz，基准电压源=5V，输入短路至基准电压源。RMS噪声=3.2526LSB，p-p分辨率=19.576位。
图7.AD7799在以下情况下的噪声性能：增益=64，更新速率=4.17Hz，基准电压源=5V，称重传感器输入。RMS噪声=3.6782LSB，p-p分辨率=19.399位。
改善ADC结果
图8.测量恒定模拟输入的ADC的直方图。
平均滤波器是减少随机白噪声同时保持最锐利阶跃响应的好方法。这里讨论的设计软件使用移动平均算法。图9显示了基本算法流程。
图9.平均算法。
使用移动平均技术，输出数据速率与输入数据速率相同。这是一阶平均。对于更高的更新速率，通常使用二阶平均来降低波形色散。在这种情况下，第一阶段的输出通过第二阶段进行平均，以进一步改善结果。
图10.AD7799滤波后的噪声性能：增益=64，更新速率=4.17Hz，基准电压源=5V，称重传感器输入。RMS噪声=0.611LSB，p-p分辨率=21.9位。
图11.权重变化判断算法。
首先，使用双倍的判断步骤，以避免将故障视为权重变化。当来自ADC的两个连续数据点和滤波器输出之间的差异都超过阈值时，这被认为是权重变化。
消除输出结果上的闪烁
称重秤对齐以显示0：5，1和1：5，000标准范围的1.10克分度或000克分度。当权重位于两个相邻显示权重之间的边距中时，显示将在这些权重之间闪烁。为了保持显示稳定，使用了图12中的算法：
图12.代码更改流程图。
在每个显示周期中，软件决定此周期中显示的重量是否与前一个周期相同。如果相同，LCD输出将不会改变，并且该过程将继续到下一个周期。如果不同，将计算这两个周期之间的内部代码差异。如果差值小于阈值，则视为噪声效应，因此仍会显示旧权重。如果差值大于阈值，它将更新显示。
比较ADuC847和AD7799ADC性能
图13.AD7799噪声性能：增益=64，更新速率=4.17Hz，基准电压源=5V，输入短路至基准电压源。RMS噪声=3.2526LSB，p-p分辨率=19.576位。
图14.ADuC847噪声性能：增益=64，更新速率=5.35Hz，基准电压源=2.5V，输入短路至基准电压源。RMS噪声=74.65LSB，峰峰值分辨率=15位，数据手册规格=15位。
电子秤设计注意事项
比率式设计
为了获得最佳性能，参考设计中采用了比率测量技术（用于电桥激励和ADC基准的相同基准源），如图3所示。称重传感器的输出精度由电桥的激励电压决定。电桥输出与激励电压成正比，激励电压的任何漂移都会在输出电压中产生相应的漂移。通过使用与电桥激励电压成比例的电压作为ADC的参考源，如果实际电桥激励电压发生变化，测量精度不会下降。这种比例连接消除了激励源中漂移和极低频噪声的影响。为了滤除来自ADC输入端称重传感器的噪声，可以使用简单的一阶RC滤波器。
布局
硬件和软件
审核编辑：郭婷
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