稱重系統要求和分析

方良

摘要：稱重是工業領域非常普遍的一個應用，尤其在中國市場存在很多稱重設備的設計和制造商。來自終端用戶的產品千差萬別，本文將著重分析、討論這類應用的系統要求，探討系統模擬輸入前端的設計，因為這部分電路的性能直接決定了整個產品的精度水平。

關鍵詞：稱重；模擬前端；分辨率；噪音；采樣率

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.2.011

系統架構

圖1所示為典型的稱重框圖。通過低噪聲LDO為整個系統供電。

稱重系統一般采用5V供電，并直接采用供電電源作為ADC的參考電壓，這樣做的好處是可以抵消測量過程的共模干擾。壓阻傳感器是整個稱重系統的關鍵部件，它的精度直接決定了系統的測量精度。1k Q和350 Q是兩種常用的壓力傳感器類型，典型靈敏度是2mV/V。目前，模擬前端基本在單一芯片整合了PGA和ADC，并可靈活配置。稱重設備的數據輸出可采用傳統的RS-485接口，或4～20mA電流環輸出。當然，目前越來越多的設備也開始采用無線通信接口，例如：通過WiFi輸出數據。

模擬前端設計考慮

為方便起見，我們在下面對模擬前端的性能分析中，假定系統供電由5V LDO提供，忽略電源噪聲的影響；傳感器為5V@2mV/V靈敏度，稱重范圍是20000g，準確度是0.1g。

分辨率和噪音

一個好的稱重產品，必須在測量過程中保持高精度和高準確度，測量值穩定，無跳變/閃爍。為此，與之對應的指標是無雜散峰一峰值分辨率，定義如下：

2ⁿ=200000

計算：n：17.6 bit（p-p），

進而得出N=20.3 bit（RMS）.

其中，n是無雜散分辨率，N是有效值分辨率。這個分辨率可以滿足絕大部分中高端產品要求。

根據輸入范圍要求，我們可以計算出噪聲水平：

Noise-pp=（5V*2mV/V）/2ⁿ=50 nV

Noise-rms=7.6nV

目前市場上的個人/家用稱重設備通常提供3000點測量值；工業產品提供7500點測量值；實驗研究設備可提供P0000點以上測試，據此可以計算相應的分辨率和噪聲要求。通過上述分析和計算，我們基本可以決定ADC的要求和選型。

增益與采樣率

由于傳感器的輸出擺幅為10mV左右，信號相對比較小，如果直接輸入給ADC，將損失ADC的大部分動態范圍。因此，需要有PGA進行幅度調整，PGA最大增益可以設置為64、128或256，并且可以配置調整。具體選擇需要根據壓力傳感器和ADC范圍確定.ADC除了前面提到的分辨率和噪聲之外，還有一個重要指標需要考慮，即采樣率.不同的稱重系統和不同的應用場合對采樣速度的要求很大不同，一般來說，靜態稱重采樣率在20Hz以內，動態測量則要求幾百Hz甚至幾百kHz。

濾波器

濾波器在整個設計中很重要，用于提高整個系統的信噪比。由于稱重是精密測量系統，并用于相對嘈雜的環境，容易受到干擾，需要采取濾波措施。首先，在信號鏈路的最前端增加無源RC或LC低通濾波器，抑制高頻干擾。并配合后續的數字濾波器，通常是Sinc多階濾波器，用于濾除工頻干擾。一些專用ADC幾乎都內置這個數字濾波器.設計人員只需要配置相關寄存器的參數。

校準

為了在整個溫度范圍內保持高精度測量，需要消除溫度漂移和線性誤差。系統采用專門的溫度測試單元，以驗證溫度特性。具體做法是做一個溫度循環，測試的數據必須線性變化，并最終回到原點，如圖2所示。否則，就需要做額外的復雜的補償算法.此外，設計中還會經常碰到其它挑戰，如：

機械振動干擾；

電源和噪聲的平衡；

速度和噪聲的平衡；

輻射。

Maxim Integrated解決方案

MAXIP 270是一款24位的Sigma-Delta高精度ADC，SNR達到130dB，功耗只有10mW，采用率可達64ksps，適用于直流和交流測量。并具有良好的線性指標，INL最大4ppm，噪聲6.5nV/√Hz，內部集成緩沖器、PGA、Sinc濾波器等，理想用于稱重設備，典型應用電路如圖3所示.如果傳感器距離測量單元較遠，比如高速公路上的汽車超載檢測設備，則要在傳感器和ADC之間加入一級低噪聲緩沖驅動器，可以選擇MAX44250等。需要說明的是，MAX11270還預留了幾個GPIO端口，方便用戶配置。MAXP P270提供兩種校準模式，其中自校準模式可以在工作條件改變時（比如，電源電壓、環境溫度等），非常方便www.eepw.com.ca 20、6.2-3合刊44地消除失調誤差和增益誤差。目前，MAXP11270已經成功設計在國內一些客戶的產品中。