電子秤所要求的精度在起初并不是很明顯。其典型分辨率僅為1：3,000-1：10,000，因此12bit-14bit的模數轉換器(ADC)看起來應該足夠。但進步的分析表明情況并不是這樣，實際上需要20bitADC。本文介紹電子秤系統的技術指標和設計考慮，包括噪聲、動態范圍、失調漂移、增益漂移和濾波。

　　使用具有10,000計數分辨率能夠測量高達5kg重量的電子秤能夠具有0.5g重量分辨率。正如在液晶顯示器(LCD)上看到的，這種分辨率通常是指外部計數。為了確保滿足外部計數精度，通常內部分辨率必須具有高于外部分辨率個數量的精度，有些標準規定內部計數精度比外部計數精度高20倍。在這種情況下，內部計數必須到是1：200,000。

　　在大多數電子秤應用中，實際上僅使用ADC動態范圍的小部分。如圖l所示，稱重傳感器(又稱作負荷傳感器)采用5 V電源電，其滿量程輸出是10mV，線性范圍是6mV。如果前端電路的增益為128，則ADC的滿量程輸入大約是768mV。如果采用2.5V的基準電壓，則只使用了不足三分之的ADC動態范圍。

　　如果內部計數在滿量程范圍768mV內必須到1：200,000，則ADC精度應該比上述分析中的ADC提高3～4倍以滿足性能要求。在這種情況下需要具有19-20bit精度的ADC。

　　工業電子秤系統通常工作在超過50℃的溫度范圍，因此溫度漂移可能是其主要的誤差來源。例如，具有1 ppm/℃增益漂移的20bit精度的系統在50℃的溫度范圍內會產生50LSB的誤差。雖然系統在25℃時可以到1LSB，但它在超過滿溫度范圍時僅到50LSB。因此當設計電子秤時選用低漂移ADC非常重要。

　　失調漂移并不是個很重要的考慮因素。大多數的∑-△ADC采用“斬波”技術，這種技術具有降低漂移和提高抗噪聲干擾的優勢。大多數電子秤設計工程師都會大大受益于斬波技術*的低漂移性能和抗噪聲*力。例如，AD7799 24 bit Z-A ADC的失調漂移指標僅為10nV/℃。在20bit系統中，其在全部50℃的工作范圍內僅產生1/4LSB的誤差。

　　人們在閱讀芯片使用說明時犯的個普遍錯誤就是將有效值(RMS)噪聲與峰峰值(pk-pk)噪聲混淆。對于電子秤應用，重要的技術指標是pk-pk噪聲或者是無噪聲分辨率。ADC的無噪聲分辨率是指超過這個位(bit)數它就不能清楚分辨個別編碼的分辨率。

　　系統的pk-pk分辨率取決于ADC的更新速率。例如，當AD7799的更新速率為4Hz時，它能達到20.5 bit的pk-pk分辨率;當為500Hz時，pk-pk分辨率降低到16 bit。在電子秤系統中，設計工程師需要折衷ADC的大采樣速率和顯示器的小更新速率。對于電子秤，通常使用10 Hz的采樣速率。

　　在低更新速率時對低噪聲和高線性度的要求使得Z-AADC成為電子秤的佳選擇。Z-△ADC的第二個優點是內置的噪聲整形和數字濾波。 先量化噪聲可擴展到調制頻率的半。然后限制數字濾波器的帶寬只通過低頻輸出，從而顯著地減少對復雜后處理的要求。

　　ADC也應該包含個低噪聲可編程增益放大器(PGA)以放大稱重傳感器的微弱信號輸出。這種內PGA與使用外部增益電阻器的分立放大器相比可提低溫度漂移。用于電子秤應用的AD7799具有27nV/√Hz噪聲指標并且集成了個可提高達128增益的PGA，因此稱重傳感器可直接與ADC連接。

　　AD7799的有效分辨率受噪聲的限制，并且隨著其輸出數據數率和增益設置而變化。平均值濾波器可以用來增加有效分辨率并且去除盡可能多的噪聲，從而可在保持急劇的階躍響應的同時減少隨機噪聲。該濾波器從ADC取M個數據點，刪除小數據點和大數據點，然后對M2個點作平均。采用的公式為：

　　輸出數據數率保持不變。這屬于階平均。對于更高的更新速率，通常需要使用二階平均。在這里，對*的輸出再作第二的平均處理以進步改進測量結果。平均可將有效分辨率提高2.3bit(從19.6 bit pk-pk到21.9bitpk-pk)。其的缺點就是由于流水線延遲而延長了建立時間，濾波器經過M個周期的權重值變化之后才指示正確結果。

　　為了加快建立時間，權重值變化應該發生在兩個數據點的差值和濾波器的輸出都超過閾值時。第二的全部M個數據點使用數據以加快建立時間。稱重傳感器也具有建立時間問題，可通過使用的ADC數據刷新平均窗口中的所有數據來改善建立時間。經過6個刷新周期之后重新開始平均。

　　當待測的重量位于兩個相鄰顯示重量之間的接近跳變時，顯示值將在這兩個重量值之間閃爍。為了保持顯示值穩定，由軟件判斷個周期中的重量值是否與前個周期中的重量值相等。如果相等，則LCD的輸出不改變。如果不等并且這兩個周期之間的內部代碼差值比閾值小，則將這種變化看作是噪聲，它對LCD輸出的微小作用不會刷新顯示值。如果差值大干閾值，則顯示值會刷新。

　　為了獲得佳性能，我們采用了比率式測量方法。電橋的激勵電壓直接決定稱重傳感器的輸出精度。電橋的輸出直接與激勵電壓成比例，并且激勵電壓的任何漂移都會在電橋輸出電壓中產生相應的漂移。如果ADC的基準電壓源與電橋的激勵電壓成比例，那么不會由于電橋激勵電壓的漂移損失測量精度。因此，消除了激勵源中低頻噪聲的影響。您可以使用簡單的階RC濾波器使ADC輸入端的噪聲降到低。

　　參考文獻：

　　1.ADI公司AD7799數據手冊

源：《改進電子秤的性能》作者：聶海霞 來源：電子產品 2006年19期