称重系统要求和分析

方良

摘要：称重是工业领域非常普遍的一个应用，尤其在中国市场存在很多称重设备的设计和制造商。来自终端用户的产品千差万别，本文将着重分析、讨论这类应用的系统要求，探讨系统模拟输入前端的设计，因为这部分电路的性能直接决定了整个产品的精度水平。

关键词：称重；模拟前端；分辨率；噪音；采样率

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.2.011

系统架构

图1所示为典型的称重框图。通过低噪声LDO为整个系统供电。

称重系统一般采用5V供电，并直接采用供电电源作为ADC的参考电压，这样做的好处是可以抵消测量过程的共模干扰。压阻传感器是整个称重系统的关键部件，它的精度直接决定了系统的测量精度。1k Q和350 Q是两种常用的压力传感器类型，典型灵敏度是2mV/V。目前，模拟前端基本在单一芯片整合了PGA和ADC，并可灵活配置。称重设备的数据输出可采用传统的RS-485接口，或4～20mA电流环输出。当然，目前越来越多的设备也开始采用无线通信接口，例如：通过WiFi输出数据。

模拟前端设计考虑

为方便起见，我们在下面对模拟前端的性能分析中，假定系统供电由5V LDO提供，忽略电源噪声的影响；传感器为5V@2mV/V灵敏度，称重范围是20000g，准确度是0.1g。

分辨率和噪音

一个好的称重产品，必须在测量过程中保持高精度和高准确度，测量值稳定，无跳变/闪烁。为此，与之对应的指标是无杂散峰一峰值分辨率，定义如下：

2ⁿ=200000

计算：n：17.6 bit（p-p），

进而得出N=20.3 bit（RMS）.

其中，n是无杂散分辨率，N是有效值分辨率。这个分辨率可以满足绝大部分中高端产品要求。

根据输入范围要求，我们可以计算出噪声水平：

Noise-pp=（5V*2mV/V）/2ⁿ=50 nV

Noise-rms=7.6nV

目前市场上的个人/家用称重设备通常提供3000点测量值；工业产品提供7500点测量值；实验研究设备可提供P0000点以上测试，据此可以计算相应的分辨率和噪声要求。通过上述分析和计算，我们基本可以决定ADC的要求和选型。

增益与采样率

由于传感器的输出摆幅为10mV左右，信号相对比较小，如果直接输入给ADC，将损失ADC的大部分动态范围。因此，需要有PGA进行幅度调整，PGA最大增益可以设置为64、128或256，并且可以配置调整。具体选择需要根据压力传感器和ADC范围确定.ADC除了前面提到的分辨率和噪声之外，还有一个重要指标需要考虑，即采样率.不同的称重系统和不同的应用场合对采样速度的要求很大不同，一般来说，静态称重采样率在20Hz以内，动态测量则要求几百Hz甚至几百kHz。

滤波器

滤波器在整个设计中很重要，用于提高整个系统的信噪比。由于称重是精密测量系统，并用于相对嘈杂的环境，容易受到干扰，需要采取滤波措施。首先，在信号链路的最前端增加无源RC或LC低通滤波器，抑制高频干扰。并配合后续的数字滤波器，通常是Sinc多阶滤波器，用于滤除工频干扰。一些专用ADC几乎都内置这个数字滤波器.设计人员只需要配置相关寄存器的参数。

校准

为了在整个温度范围内保持高精度测量，需要消除温度漂移和线性误差。系统采用专门的温度测试单元，以验证温度特性。具体做法是做一个温度循环，测试的数据必须线性变化，并最终回到原点，如图2所示。否则，就需要做额外的复杂的补偿算法.此外，设计中还会经常碰到其它挑战，如：

机械振动干扰；

电源和噪声的平衡；

速度和噪声的平衡；

辐射。

Maxim Integrated解决方案

MAXIP 270是一款24位的Sigma-Delta高精度ADC，SNR达到130dB，功耗只有10mW，采用率可达64ksps，适用于直流和交流测量。并具有良好的线性指标，INL最大4ppm，噪声6.5nV/√Hz，内部集成缓冲器、PGA、Sinc滤波器等，理想用于称重设备，典型应用电路如图3所示.如果传感器距离测量单元较远，比如高速公路上的汽车超载检测设备，则要在传感器和ADC之间加入一级低噪声缓冲驱动器，可以选择MAX44250等。需要说明的是，MAX11270还预留了几个GPIO端口，方便用户配置。MAXP P270提供两种校准模式，其中自校准模式可以在工作条件改变时（比如，电源电压、环境温度等），非常方便www.eepw.com.ca 20、6.2-3合刊44地消除失调误差和增益误差。目前，MAXP11270已经成功设计在国内一些客户的产品中。