电子秤所要求的精度在起初并不是很明显。其典型分辨率仅为1：3,000-1：10,000，因此12bit-14bit的模数转换器(ADC)看起来应该足够。但进步的分析表明情况并不是这样，实际上需要20bitADC。本文介绍电子秤系统的技术指标和设计考虑，包括噪声、动态范围、失调漂移、增益漂移和滤波。

　　使用具有10,000计数分辨率能够测量高达5kg重量的电子秤能够具有0.5g重量分辨率。正如在液晶显示器(LCD)上看到的，这种分辨率通常是指外部计数。为了确保满足外部计数精度，通常内部分辨率必须具有高于外部分辨率个数量的精度，有些标准规定内部计数精度比外部计数精度高20倍。在这种情况下，内部计数必须到是1：200,000。

　　在大多数电子秤应用中，实际上仅使用ADC动态范围的小部分。如图l所示，称重传感器(又称作负荷传感器)采用5 V电源电，其满量程输出是10mV，线性范围是6mV。如果前端电路的增益为128，则ADC的满量程输入大约是768mV。如果采用2.5V的基准电压，则只使用了不足三分之的ADC动态范围。

　　如果内部计数在满量程范围768mV内必须到1：200,000，则ADC精度应该比上述分析中的ADC提高3～4倍以满足性能要求。在这种情况下需要具有19-20bit精度的ADC。

　　工业电子秤系统通常工作在超过50℃的温度范围，因此温度漂移可能是其主要的误差来源。例如，具有1 ppm/℃增益漂移的20bit精度的系统在50℃的温度范围内会产生50LSB的误差。虽然系统在25℃时可以到1LSB，但它在超过满温度范围时仅到50LSB。因此当设计电子秤时选用低漂移ADC非常重要。

　　失调漂移并不是个很重要的考虑因素。大多数的∑-△ADC采用“斩波”技术，这种技术具有降低漂移和提高抗噪声干扰的优势。大多数电子秤设计工程师都会大大受益于斩波技术*的低漂移性能和抗噪声*力。例如，AD7799 24 bit Z-A ADC的失调漂移指标仅为10nV/℃。在20bit系统中，其在全部50℃的工作范围内仅产生1/4LSB的误差。

　　人们在阅读芯片使用说明时犯的个普遍错误就是将有效值(RMS)噪声与峰峰值(pk-pk)噪声混淆。对于电子秤应用，重要的技术指标是pk-pk噪声或者是无噪声分辨率。ADC的无噪声分辨率是指超过这个位(bit)数它就不能清楚分辨个别编码的分辨率。

　　系统的pk-pk分辨率取决于ADC的更新速率。例如，当AD7799的更新速率为4Hz时，它能达到20.5 bit的pk-pk分辨率;当为500Hz时，pk-pk分辨率降低到16 bit。在电子秤系统中，设计工程师需要折衷ADC的大采样速率和显示器的小更新速率。对于电子秤，通常使用10 Hz的采样速率。

　　在低更新速率时对低噪声和高线性度的要求使得Z-AADC成为电子秤的佳选择。Z-△ADC的第二个优点是内置的噪声整形和数字滤波。 先量化噪声可扩展到调制频率的半。然后限制数字滤波器的带宽只通过低频输出，从而显著地减少对复杂后处理的要求。

　　ADC也应该包含个低噪声可编程增益放大器(PGA)以放大称重传感器的微弱信号输出。这种内PGA与使用外部增益电阻器的分立放大器相比可提低温度漂移。用于电子秤应用的AD7799具有27nV/√Hz噪声指标并且集成了个可提高达128增益的PGA，因此称重传感器可直接与ADC连接。

　　AD7799的有效分辨率受噪声的限制，并且随着其输出数据数率和增益设置而变化。平均值滤波器可以用来增加有效分辨率并且去除尽可能多的噪声，从而可在保持急剧的阶跃响应的同时减少随机噪声。该滤波器从ADC取M个数据点，删除小数据点和大数据点，然后对M2个点作平均。采用的公式为：

　　输出数据数率保持不变。这属于阶平均。对于更高的更新速率，通常需要使用二阶平均。在这里，对*的输出再作第二的平均处理以进步改进测量结果。平均可将有效分辨率提高2.3bit(从19.6 bit pk-pk到21.9bitpk-pk)。其的缺点就是由于流水线延迟而延长了建立时间，滤波器经过M个周期的权重值变化之后才指示正确结果。

　　为了加快建立时间，权重值变化应该发生在两个数据点的差值和滤波器的输出都超过阈值时。第二的全部M个数据点使用数据以加快建立时间。称重传感器也具有建立时间问题，可通过使用的ADC数据刷新平均窗口中的所有数据来改善建立时间。经过6个刷新周期之后重新开始平均。

　　当待测的重量位于两个相邻显示重量之间的接近跳变时，显示值将在这两个重量值之间闪烁。为了保持显示值稳定，由软件判断个周期中的重量值是否与前个周期中的重量值相等。如果相等，则LCD的输出不改变。如果不等并且这两个周期之间的内部代码差值比阈值小，则将这种变化看作是噪声，它对LCD输出的微小作用不会刷新显示值。如果差值大干阈值，则显示值会刷新。

　　为了获得佳性能，我们采用了比率式测量方法。电桥的激励电压直接决定称重传感器的输出精度。电桥的输出直接与激励电压成比例，并且激励电压的任何漂移都会在电桥输出电压中产生相应的漂移。如果ADC的基准电压源与电桥的激励电压成比例，那么不会由于电桥激励电压的漂移损失测量精度。因此，消除了激励源中低频噪声的影响。您可以使用简单的阶RC滤波器使ADC输入端的噪声降到低。

　　参考文献：

　　1.ADI公司AD7799数据手册

源：《改进电子秤的性能》作者：聂海霞 来源：电子产品 2006年19期