基于AD7791的精密称重秤设计

一、引言

在当今的电子设计领域，解决模拟、混合信号和RF设计挑战是工程师们面临的重要任务。Circuits from the Lab™参考电路为此提供了有效的解决方案，其中CN - 0216电路是一个用于精密称重秤的信号调理系统。本文将详细介绍该电路的设计、功能、测试及相关注意事项。

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二、相关器件介绍

2.1 AD7791

低功耗、带缓冲的24位Sigma - Delta ADC，能在9.5 Hz至120 Hz的完整输出数据范围内保持良好性能，可用于各种低速运行的称重秤应用。

2.2 ADA4528 - 1

精密、超低噪声、轨到轨输入/输出、零漂移运算放大器。零漂移放大器可连续自我校正直流误差，且无1/f噪声，能实现直流或低频下的精密称重测量。

2.3 ADP3301

高精度anyCAP® 100 mA低压差线性稳压器，为AD7791、ADA4528 - 1和负载传感器供电，低噪声特性对于保证系统性能至关重要。

三、电路功能与优势

3.1 整体功能

图1所示的电路是一个精密称重秤信号调理系统，采用AD7791和两个外部ADA4528 - 1零漂移放大器，可实现单电源下的高直流增益。

3.2 前端放大

前端使用超低噪声、低失调电压和低漂移放大器来放大来自负载传感器的低电平信号。对于满量程输出为10 mV的负载传感器，该电路可实现15.3位无噪声码分辨率。

3.3 设计灵活性

该电路在设计定制低电平信号调理前端方面具有很大的灵活性，用户可以轻松优化传感器 - 放大器 - 转换器组合电路的整体传递函数。

四、电路详细描述

4.1 负载传感器连接

使用6线制Tedea - Huntleigh 505H - 0002 - F070负载传感器。6线制负载传感器有两个感应引脚，可连接到惠斯通电桥的高端（激励引脚）和低端（接地引脚），能准确测量电桥两端的电压，消除导线电阻引起的电压降影响。与4线制负载传感器相比，6线制负载传感器能实现比例配置，使系统对电源激励电压的低频变化不敏感，无需精密电压参考。

4.2 放大器配置

两个ADA4528 - 1运算放大器构成三运放仪表放大器的第一级，AD7791的差分输入执行第二级差分放大器的功能。增益为1 + 2R1/RG，通过在运算放大器的反馈回路中放置电容C1和C2，与R1和R2构成4.3 Hz截止频率的低通滤波器，限制进入Sigma - Delta ADC的噪声。C5与R3和R4构成截止频率为8 Hz的差分滤波器，C3和C4与R3和R4构成截止频率为159 Hz的共模滤波器，进一步限制噪声。

4.3 电源供应

ADP3301低噪声稳压器为AD7791、ADA4528 - 1和负载传感器供电。除了去耦电容外，还需在稳压器输出端放置降噪电容，以确保电源和地平面的低噪声，避免影响系统性能。

4.4 ADC转换

24位Sigma - Delta ADC AD7791将负载传感器的放大信号进行转换。AD7791配置为缓冲模式，以适应模拟输入引脚的R - C滤波器网络的阻抗。

4.5 噪声分析

不同输出数据速率下，AD7791的均方根噪声不同，随着输出数据速率的增加，均方根噪声增大，但在整个输出数据速率范围内仍能保持良好的噪声性能。在9.5 Hz输出数据速率和2.5 V参考电压下，AD7791的均方根噪声为1.1 µV，可计算出无噪声计数为688,705，对应的无噪声码分辨率为19.5位（此为未连接负载传感器和输入放大器时AD7791的性能）。实际电路中，输入放大器、电阻和负载传感器本身会引入噪声。对于5 V参考电压，1 LSB等于0.596 µV。负载传感器的10 mV p - p满量程信号在ADC输入产生3.75 V p - p信号，约为ADC范围的38%。通过测试，系统的无噪声计数为39,557，对应的无噪声码分辨率为15.3位。系统的分辨率在克为单位下可计算为0.05 g。

五、常见变化

5.1 其他ADC选择

CN - 0102（AD7190）、CN - 0107（AD7780）、CN - 0108（AD7781）、CN - 0118（AD7191）、CN - 0119（AD7192）和CN - 0155（AD7195）等电路笔记中讨论了其他适用于称重秤应用的ADC和电路。AD7171是16位Sigma - Delta ADC。

5.2 低功耗解决方案

对于更低功耗的需求，可使用ADA4051 - 2，它是双微功耗、零漂移放大器，每个放大器的供电电流仅为20 µA。

六、电路评估与测试

6.1 所需设备

PC（带有USB端口，运行Windows XP、Windows Vista（32位）或Windows 7（32位））、EVAL - CN0216 - SDPZ电路评估板、EVAL - SDP - CB1Z系统演示平台（SDP）评估板、CN0216评估软件、Tedea - Huntleigh 505H - 0002 - F070负载传感器或等效产品、+6 V电源或+6 V“墙式适配器”。

6.2 操作步骤

1. 软件加载：将CN0216评估软件光盘放入PC的CD驱动器，通过“我的电脑”找到包含评估软件的驱动器并打开Readme文件，按照其中的说明安装和使用评估软件。
2. 电路连接：将EVAL - CN0216 - SDPZ电路板上的120引脚连接器连接到EVAL - SDP - CB1Z评估（SDP）板上标记为“CON A”的连接器，使用尼龙硬件通过120引脚连接器两端的孔牢固固定两块板。将负载传感器连接到EVAL - CN0216 - SDPZ板。在电源关闭的情况下，将+6 V电源连接到板上标记为“+6 V”和“GND”的引脚，也可使用+6 V“墙式适配器”连接到板上的桶形插孔连接器。将SDP板附带的USB电缆连接到PC的USB端口，但此时不要连接到SDP板上的迷你USB连接器。
3. 测试过程：给连接到EVAL - CN0216 - SDPZ电路板的+6 V电源（或“墙式适配器”）供电，启动评估软件，将PC的USB电缆连接到SDP板上的USB迷你连接器。如果设备管理器中列出了Analog Devices系统开发平台驱动程序，软件就能与SDP板通信。建立USB通信后，SDP板可用于发送、接收和捕获来自EVAL - CN0216 - SDPZ板的串行数据。

6.3 数据分析

至少采集500个ADC输出数据样本，将样本集导出到电子表格程序（如Excel）进行分析。假设噪声分布为高斯分布，样本的标准偏差近似等于均方根噪声，峰 - 峰噪声近似等于均方根值乘以6.6，也可直接从样本集中取最大和最小样本的差值得到峰 - 峰噪声。样本集的值以LSB为单位，需转换为电压（1 LSB = 0.596 µV，5 V参考电压）。如有需要，可对多个样本集的结果进行平均以获得更准确的测量值。无噪声码分辨率可根据峰 - 峰噪声按前文所述方法计算。

七、学习资源

文中还提供了许多学习资源，包括Kester的《Sensor Signal Conditioning》的相关章节，以及Analog Devices的多个教程（如MT - 004、MT - 022、MT - 023等）和应用笔记（如AN - 1114），还有多个电路笔记（如CN - 0102、CN - 0107等），以及相关器件的数据手册和评估板信息。

八、总结

CN - 0216电路为精密称重秤设计提供了一个有效的解决方案，通过合理选择器件、优化电路配置和进行准确的测试分析，能够实现较好的性能。在实际应用中，工程师们还需注意正确的布局、接地和去耦技术，以确保电路的稳定性和准确性。大家在设计类似电路时，是否也遇到过一些难以解决的噪声问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。