本电路为采用 AD7781构建的电子秤系统。AD7781是一款引脚可编程、低功耗、低漂移20位Σ-Δ转换器，内置PGA，采用内部时钟。该器件将大多数系统构建模块置于芯片内，因此能够简化电子秤设计。该器件的典型功耗仅为330 μA，适合所有低功耗或电池供电应用。AD7781还提供省电模式，不执行转换时，用户可以切断对桥式传感器的供电，并使该器件进入省电模式，从而延长电池使用时间。

图1. 采用AD7781的电子秤系统（原理示意图：未显示所有连接）

AD7781提供一种集成式电子秤解决方案，可以直接与称重传感器接口。只需在模拟输入端用一些滤波器，在基准电压引脚上配置一些电容等外部元件，便可满足电磁屏蔽(EMC)要求。来自称重传感器的低电平信号由AD7781的内置PGA放大。该PGA经过编程，以128的增益工作。AD7781的转换结果通过USB接口送至PC，由PC将数字信息转换为重量。

 

图2所示为实际的测试设置。为实现最佳系统性能，该测试设置使用一个6线式称重传感器。除激励、接地和2个输出连接外，6线式称重传感器还有2个检测引脚。这些检测引脚分别与惠斯登电桥的高端和低端相连。因此，尽管线路电阻会引起压降，但仍能精确测量该电桥上产生的电压。此外，AD7781具有一路差分模拟输入，接受差分基准电压。称重传感器差分SENSE线路与AD7781基准电压输入端相连，可构成一个比率式配置，不受电源激励电压的低频变化影响。

图2. 采用AD7781的电子秤系统

如果采用4线式称重传感器，则不存在检测引脚，ADC基准电压引脚将与激励电压和地相连。这种配置中，由于存在线路电阻，激励电压与SENSE+之间将有压降，因此系统不是完全比率式。另外，低端上也会有线路电阻引起的压降。

 

AD7781具有单独的模拟电源引脚和数字电源引脚。模拟电源和数字电源彼此独立，因此AVDD和DVDD可以处于不同的电位。微控制器采用3.3 V电源。因此，DVDD也采用3.3 V电源供电。这样就无需外部电平转换，从而可以简化ADC与微控制器之间的接口。3.3 V数字电源可利用ADP3303(3.3 V)稳压器产生。

 

有多种方法可以为该电子秤系统供电，例如：利用主电源总线，或者利用ADP3303(3.3 V)。用5 V电压激励电子秤时，必须使用主电源总线。用3.3 V电压激励称重传感器时，可以使用主电源总线或ADP3303(3.3 V)。ADP3303(3.3 V)是一款低噪声稳压器。此外，按照ADP3303(3.3 V)数据手册的建议，在稳压器输出端配有降噪电容。为优化电磁屏蔽，稳压器输出先经过滤波，然后再给AD7781和称重传感器供电。由于电源或接地层上的任何噪声都会给系统带来噪声，导致电路性能降低，因此必须用低噪声稳压器产生供给AD7781和称重传感器的电源。

 

如果使用灵敏度为2 mV/V的2 kg称重传感器，则激励电压为5 V时，来自称重传感器的满量程信号为10 mV。称重传感器具有相关失调电压或TARE。此TARE的幅度最高可达称重传感器满量程输出信号的50%。称重传感器还有最高可达满量程±20%的增益误差。一些客户利用DAC来消除或抵消TARE。如果AD7781采用5 V基准电压，则增益设置为128时，其模拟输入范围等于±40 mV。相对于称重传感器的满量程信号(10 mV)而言，AD7781的模拟输入范围较宽，这有利于确保称重传感器的失调电压和增益误差不会使ADC前端过载。

 

当输出数据速率为10 Hz时，AD7781（C级）的均方根噪声为49 nV。采样数等于

 

 

其中系数6.6用来将均方根电压转换为峰峰值电压。以克(g)为单位表示的分辨率等于

 

 

无噪声分辨率等于

 

 

在实际操作中，称重传感器本身会引入一定的噪声。AD7781的漂移也会导致称重传感器发生一定的时间和温度漂移。为确定完整系统的精度，可以将该电子秤通过USB连接器与PC相连，然后利用LabView软件评估电子秤系统的性能。图3显示将1 kg重物置于称重传感器上，并收集500次转换结果所测得的输出性能（使用5 V激励电压）。软件计算的系统噪声为50 nV（均方根值），相当于30,300无噪声采样数或14.9位无噪声码分辨率。

图3. 500次采样所测得的输出码，体现出噪声的影响

图4显示重量方面的性能。相对于500个码，输出的峰峰值变化量为0.075克。因此，该电子秤系统的精度达到0.075克。

图4. 500次采样所测得的输出（单位为千克），体现出噪声的影响

上图所示为连接称重传感器之后，从AD7781回读得到的实际（原始）转换结果。在实际操作中，电子秤系统会采用数字后置滤波器。在后置滤波器中另外执行均值计算会进一步提高无噪声采样数，但数据速率会降低。

注意：本文的噪声规格相对于PGA增益为128而言。

 

AD7781是一款低噪声、低功耗ADC，适合电子秤设计。其它合适的ADC有AD7798和AD7780。AD7780与AD7781的功能组合相同，但前者为24位ADC。AD7798的输出数据速率选择范围更宽。在4.17 Hz时，其均方根噪声为40 nV。

 

AD7799适用于中端电子秤。当输出数据速率为4.17 Hz时，其均方根噪声为27 nV。

AD7190、AD7192和AD7191适用于精密电子秤设计。当输出数据速率设置为4.7 Hz时，AD7190的均方根噪声为8.5 nV。它也具有较宽的输出数据速率范围。它的工作速率最高可达4.8 kHz，同时仍能保持良好的性能。AD7192与AD7190引脚兼容，但前者的均方根噪声略高。当输出数据速率为4.7 Hz时，AD7192的均方根噪声为11 nV。AD7191是一款引脚可编程器件，具有四种输出数据速率和四种增益设置。由于它具有引脚可编程能力，并且功能较少，因此易于使用。AD7191的均方根噪声与AD7192相同。

 

与其它高精度电路一样，必须采用适当的布局、接地和去耦技术。欲了解更多信息，请参考教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”，以及教程MT-101——“去耦技术”。

 

A complete design support documentation package for this circuit note can be found at the following address: http://www.analog.com/CN0108-DesignSupport.

With the exception of the external load cell and the PC, the circuit of Figure 1 is contained on the AD7780 Evaluation Board (EVAL-AD7781EBZ ).

 

Interface to the evaluation board via a standard USB connector, J1. J1 is used to connect the evaluation board to the USB port of a PC. A standard USB connector cable is included with the AD7781 evaluation board to allow the evaluation board to interface with the USB port of the PC. Because the board is powered via the USB connector, there is no need for an external power supply, although if preferred, one may be connected via J2.

Equipment Needed

The EVAL-AD7781EBZ evaluation board and a PC running Windows 2000, Windows XP, or Windows Vista (32-bit) are the only items required other than the external load cell. A Tedea Huntleigh 505H-0002-F070 load cell was used to obtain the results presented in this circuit note. The load cell is not shipped with the evaluation board and must be purchased from the manufacturer by the customer.

Getting Starting

The EVAL-AD7781EBZ evaluation board is shipped with a CD containing software that can be installed onto a standard PC to control the AD7781. The software communicates with the AD7781 through the USB cable, which accompanies the board. The software allows you to read conversion data from the AD7781. Data can be read from the AD7781 and displayed or stored for later analysis.

 

Install the AD7781 evaluation board software using the supplied AD7781 evaluation board CD before connecting the board to the PC. Complete details can be found in user guide UG-079.

Functional Block

Figure 1 of this circuit note shows the basic functional block diagram of the test setup.

Setup and Test

Complete instructions for setup and test of the AD7781 evaluation board can be found in user guide UG-079.

After installing the software, the AD7781 evaluation board should be configured for use with the external load cell by setting the appropriate links (jumpers) as described in Table 1 of UG-079. Make sure the links are set before applying power to the evaluation board.

 

The load cell connects to the evaluation board header J4. Operation of the Weighscale Demo is described in UG-079.

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