高性能低成本电子秤的参考设计

电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本高性能模拟信号处理器件需求的增加。这种需求范围并不是很明显：因为大多数电子秤是以1:3,000或1:10,000的分辨率输出最终的称重值，这里使用12 bit～14 bit的模数转换器 （ADC）很容易（显然地）满足要求。然而，高精密检测的电子秤表明达到这种分辨率要求并不容易；实际上，这种情况下ADC的精度需要达到接近于20 bit。在本文中，我们将讨论一些电子秤的系统技术指标以及设计和构建一个电子秤系统所需考虑的问题。设计中主要考虑的问题是峰峰值（PP）噪声分辨率、ADC的动态范围、增益漂移和滤波。我们使用作为评估板的电子秤参考设计，将来自实际称重传感器（又称作负荷传感器）的测量结果与来自稳定参考电压源的输入进行了对比。

称重传感器
最普遍的电子秤是使用桥式称重传感器实现的，称重传感器的输出电压直接与放在其上的重量成比例。图1示出了典型的称重电桥；它是一个具有至少两个可变桥臂的4电阻结构的电电桥，其中由所称重量引起的电阻变化可产生一个叠加在2.5 V（电源电压的一半）共模电压之上的差分电压。典型的电电桥通常使用300Ω的电阻器。

图1. 称重传感器的基本电路

称重传感器本身具有单调性，其主要参数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。

灵敏度
称重传感器的电灵敏度定义为满负荷输出电压与激励电压的比值，典型值是2mV/V。当使用2 mV/V灵敏度和5 V激励电压的传感器时，其满度输出电压为10 mV。通常，为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围，应当仅使用满度范围的三分之二。因此满度输出电压应当大约为6 mV。这种情况下提出的挑战是如何采用达到最高精度的方法在6 mV满度范围内测量微小的信号变化——当电子秤通常使用在工业环境时，这不是一件容易的事。

总误差
总误差是指输出误差和额定误差的比值。典型电子秤的总误差指标大约是0.02%。这是一项非常重要的技术指标，因为它限制了使用理想信号调理电路所能达到的精确度。因此它决定了ADC分辨率的选择以及放大电路和滤波器的设计。

漂移
称重传感器也产生与时间相关的漂移。图2示出24小时(hr)范围内测量的实际称重传感器漂移特性。在测量期间温度基本保持恒定，所以没有与温度相关的漂移。测量结果表明（使用24 bit ADC测量的bit变化数量）具有125 LSB或大约7.5 ppm的总体漂移。