高性能低成本電子秤的參考設計

電子秤向提高精度和降低成本方向發展的趨勢引起了對低成本高性能模擬信號處理器件需求的增加。這種需求范圍并不是很明顯：因為大多數電子秤是以1:3,000或1:10,000的分辨率輸出最終的稱重值，這里使用12 bit～14 bit的模數轉換器 （ADC）很容易（顯然地）滿足要求。然而，高精密檢測的電子秤表明達到這種分辨率要求并不容易；實際上，這種情況下ADC的精度需要達到接近于20 bit。在本文中，我們將討論一些電子秤的系統技術指標以及設計和構建一個電子秤系統所需考慮的問題。設計中主要考慮的問題是峰峰值（PP）噪聲分辨率、ADC的動態范圍、增益漂移和濾波。我們使用作為評估板的電子秤參考設計，將來自實際稱重傳感器（又稱作負荷傳感器）的測量結果與來自穩定參考電壓源的輸入進行了對比。

稱重傳感器
最普遍的電子秤是使用橋式稱重傳感器實現的，稱重傳感器的輸出電壓直接與放在其上的重量成比例。圖1示出了典型的稱重電橋；它是一個具有至少兩個可變橋臂的4電阻結構的電電橋，其中由所稱重量引起的電阻變化可產生一個疊加在2.5 V（電源電壓的一半）共模電壓之上的差分電壓。典型的電電橋通常使用300Ω的電阻器。

圖1. 稱重傳感器的基本電路

稱重傳感器本身具有單調性，其主要參數指標是靈敏度、總誤差和溫度漂移。

靈敏度
稱重傳感器的電靈敏度定義為滿負荷輸出電壓與激勵電壓的比值，典型值是2mV/V。當使用2 mV/V靈敏度和5 V激勵電壓的傳感器時，其滿度輸出電壓為10 mV。通常，為了使用稱重傳感器線性度最好的一段稱重范圍，應當僅使用滿度范圍的三分之二。因此滿度輸出電壓應當大約為6 mV。這種情況下提出的挑戰是如何采用達到最高精度的方法在6 mV滿度范圍內測量微小的信號變化——當電子秤通常使用在工業環境時，這不是一件容易的事。

總誤差
總誤差是指輸出誤差和額定誤差的比值。典型電子秤的總誤差指標大約是0.02%。這是一項非常重要的技術指標，因為它限制了使用理想信號調理電路所能達到的精確度。因此它決定了ADC分辨率的選擇以及放大電路和濾波器的設計。

漂移
稱重傳感器也產生與時間相關的漂移。圖2示出24小時(hr)范圍內測量的實際稱重傳感器漂移特性。在測量期間溫度基本保持恒定，所以沒有與溫度相關的漂移。測量結果表明（使用24 bit ADC測量的bit變化數量）具有125 LSB或大約7.5 ppm的總體漂移。