AD7190 是一款專門為電子秤 、應變計傳感器設計的超低噪聲 24 位Σ- ADC，可以用較少的外圍電路實現兩路傳感器動態稱重。本文主要介紹了在滿足復雜的工業環境下，實現高速、高精度采集的 AD7190 芯片外圍電路設計，包括低紋波、大電流的基準源電路、防止 EMI 干擾的前端濾波電路、防止動態漂移的補償電路等。通過測試可以實現 1kHz 采樣頻率下保持萬分之一的精度。

1.引言

隨著社會智能化水平的提高，電子稱重技術和電子衡器產品從靜態稱重向著快速稱重、動態稱重發展，應用領域也不斷擴大，在工廠包裝車間、物流分揀現場、載貨車輛檢測站等都可以發現電子秤的身影。在動態稱重和快速稱重領域對稱重傳感器和采集電路的穩定性、采集精度、采集速度要求更高。本文根據以上需求，利用 ADI公司的 AD7190 芯片設計了一款可以滿足復雜環境下的稱重傳感器信號采集電路，較好的解決了以上問題。電子衡器是一個系統的設備，尤其是工業應用所涉及的安全性、穩定性要求較高，本文內容無法全部描述說明，本文將從設備的抗干擾和采集精度方面，著重介紹稱重傳感器的供電、信號的濾波、EMI 的抑制等幾個方面。

2.系統原理介紹

整個系統包括系統供電電路、傳感器激勵源電路、傳感器前端濾波電路、基準補償電路和單片機數據處理電路，如圖 1 所示。其中模擬信號采集電路和單片機處理電路用 ADUM1401 電池隔離芯片完全隔離，兩個部分的供電也由 DC- DC 隔離電源完全隔開，用以避免數字信號對模擬信號的電磁干擾。

系統的抗干擾性主要提高設備通信接口、電源接口和傳感器接口等與外部設備接口的抗電磁脈沖干擾性能。對于本系統的模擬采集電路，電源管理電路前端已有 DC- DC 隔離電源，只需要增加簡單濾波電路即可。稱重傳感器接口電路外接的是系統供電的封閉傳感器，有時需要連接較長的導線，需要抑制無線電磁干擾。

系統的采集精度取決于 ADC 芯片的精度、放大電路的性能、傳感器激勵源的紋波系數、濾波電路的性能等幾個方面，另外微處理器算法中要處理好稱重變送器的蠕變補償和系統環境的溫度補償問題。

3.系統電路設計

3.1AD7190 應用

AD7190 是一款適用于高精密測量應用的 24位低噪聲模擬信號采集芯片，內置 128 倍 PGA、數據緩沖器、Σ- 調制器、后接數字濾波器。濾波器可通過寄存器配置為 SINC3 或 SINC4 濾波方式，SINC4 濾波方式具有更好的 50Hz/60Hz 抑制性能，在輸出速率較高時可提供更好的無噪聲分辨率，在 SINC4 濾波方式下最高可提供 1.2kHz 的采集速率。另外芯片內置一個通道序列器 MUX，通過寄存器配置為兩路差分輸入，可用于兩路稱重傳感器測量。

如圖 2 所示，顯示了 AD7190 在電子秤中的應用，負荷傳感器位于電橋網絡中，通過 5V 激勵源供電，輸出電壓為 0mV～10mV。傳感器輸出的電壓和激勵源電壓成比例關系，當激勵源有波動時，輸出電壓也將不穩定，所以我們將激勵電壓作為ADC 的基準電壓以降低波動的比例影響。輸出的信號經過 MUX 通道選擇、128 倍 PGA 放大、SINC4 濾波后轉化為數字信號輸出。

3.2激勵源電路設計

根據稱重傳感器的特性，需要設計一個穩定低噪聲恒流源或恒壓源電路，使傳感器輸出電壓或電流只與被測量事件有關，盡可能的降低負載變化影響[2]，本文選用基準電壓芯片外加 CMOS 管擴流的恒壓源的方案。REF5050 是一款 3μVpp/V噪聲、3ppm/℃漂移精密電壓基準，輸出電壓經過運放跟隨器以提高阻抗，使輸出電壓更穩定，跟隨器控制場效應管擴流，經過鉭電容濾波，得到低紋波、大電流電壓源，電壓源可用于 AD7190 數字電壓源 DVDD 供電。由于電路的模擬電源和數字電源是通過單點連線隔離的，所以上述得到的電壓源和地經過三端濾波電容 EMI 和磁珠隔離后得到用于傳感器和 AD7190 模擬電源供電的激勵源，如圖 3 所示。

3.3 傳感器濾波電路

稱重傳感器按照接線方式分為四線制、五線制、六線制、七線制，包括激勵源正、激勵源負、信號輸出正、信號輸出負、激勵源反饋正、激勵源反饋負、屏蔽線，區別在于后三項的有無。本電路稍微調整激勵反饋部分可滿足上述各線制接法，PWR_SW 接口用于電橋關斷開關，用于程序控制傳感器供電，如圖 4 所示。

傳感器輸出 信 號 正 、 負 對 地 電 源 約 為AVDD/2，差分電壓為 0mV～10mV。信號經過 TVS管和 EMI 電容用于抑制電磁干擾，經過共模扼流圈用于抑制共模信號干擾，隨后經過兩級電容濾波進入 ADC 芯片，芯片接口處的 BAV199 鉗制二極管用于限制輸入電壓在芯片安全范圍內。對激勵源反饋線進行相同處理，都是用于抑制傳感器在復雜工業環境下的電磁干擾。

3.4 補償電路與用法

以上激勵源電路給傳感器提供了低紋波、穩定的電壓源，濾波電路濾除了環境對傳感器的干擾，電路在長時間工作時的漂移和蠕變需要補償電路和補償算法處理。

如圖 5 所示，REF5050 基準電壓芯片輸出的5V 電壓經過分壓得到 20mV 直流信號源，信號源經過一級放大跟隨器以提高阻抗，再經過濾電容波和磁珠后得到穩定 20mV 參考源接入到另外一路ADC 輸入口。在配置 AD7190 時開啟多通道循環連續轉換功能，循環檢測傳感器 AD 值和補償電路AD 值，當補償電路值變化時，我們認為激勵源電壓或是內部放電電路產生漂移，記錄保存該值，進而在處理采集的傳感器數據時進行比例增減運算。當傳感器值產生微小變化而補償電路沒有變化時，我們認為傳感器發生了蠕變，在處理采集的傳感器數據也要進行相應處理。另外環境溫度的變化，元器件在長時間工作時產生的變化都會影響采集的準確度，處理方式在其他文章中多有提及，這里不再介紹。

4.總結

根據作者多年的工作經驗，結合現實工業環境需求，設計了一款可以滿足多數應用的稱重傳感器采集電路。選用的 AD7190 芯片應用簡單、內置的 MUX、PGA 和 SINC4 功能都符合稱重傳感器的需要且性能較好。針對和采集電路配套的單片機處理部分，要處理大量的 FIR 或卷積運算，并要與其他設備進行實時交互通信，建議選用 ARM、CPLD、DSP 等運算芯片。設備在工作時建議安裝金屬屏蔽罩并接地以降低電磁干擾。