數(shù)字天平的設(shè)計(jì)
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2) 如圖3所示，還有一種辦法是采用ADC本身的參考。ADC通常含有用于連接外部參考的引腳。ADC的輸入范圍定義為參考電壓的一個(gè)因數(shù)。這樣，ADC中的每次測(cè)量都與參考電壓有關(guān)。如果我們將激勵(lì)電壓或激勵(lì)電壓的導(dǎo)數(shù)作為ADC參考，我們就能對(duì)信號(hào)進(jìn)行比例化測(cè)量。由于稱(chēng)重感應(yīng)器的負(fù)載測(cè)量值與電阻成一定比例，因此這種辦法最能滿足需求。此外，在測(cè)量中可以忽視激勵(lì)電壓的任何變化，因?yàn)锳DC參考也會(huì)受到同樣的影響。
圖3：用于比例測(cè)量的稱(chēng)重感應(yīng)器接口電路
Delta Sigma ADC的噪聲降低
DelSig ADC的頻率響應(yīng)有一些冗余特性，我們可借此降低噪聲。DelSig ADC是一種平均ADC，具有低通特性，能大幅降低噪聲，這點(diǎn)我們此前已經(jīng)有所討論。不過(guò)，大多數(shù)DelSig ADC都具有特定的頻率響應(yīng)，例如PSoC3和PSoC5 ADC的Sinc響應(yīng)。這種響應(yīng)在特定頻率（采樣頻率的倍頻）下會(huì)出現(xiàn)空值。
這樣，我們可以讓ADC采樣頻率與某個(gè)特定值一致，從而消除特定的噪聲頻帶。在消除50/60Hz等噪聲源時(shí)，這種辦法尤其有效。
進(jìn)一步討論濾波——滑動(dòng)平均濾波
我們已經(jīng)討論了應(yīng)如何避免天平設(shè)計(jì)中模擬信號(hào)鏈的噪聲以及其它誤差源。實(shí)現(xiàn)無(wú)噪聲輸出的最后一步是采用基于固件的數(shù)學(xué)平均濾波去除噪聲。我們介紹圖4中這種便于實(shí)施的滑動(dòng)平均濾波器。它采用陣列形式，讓輸入值從一側(cè)流入，并使最舊的值從另一側(cè)滑出。在任何給定的時(shí)間內(nèi)，濾波器的輸出始終是陣列中所有元件的平均值。
圖4：滑動(dòng)平均濾波
滑動(dòng)平均濾波是一種最簡(jiǎn)單最有效的濾波方式，可使測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的無(wú)噪聲率。請(qǐng)注意，濾波器會(huì)造成常量延遲，而且延遲的大小與陣列深度成正比。這就意味著對(duì)于含有n個(gè)元件的滑動(dòng)濾波器來(lái)說(shuō)，每次變化都要經(jīng)過(guò)n次循環(huán)才能在輸出中顯現(xiàn)。如果變化較大而且輸出的反應(yīng)速度很慢，就會(huì)造成一定的誤導(dǎo)作用。我們可以通過(guò)設(shè)置變化閾值的方式來(lái)避免這種情況。舉例來(lái)說(shuō)，如果輸入在特定時(shí)間內(nèi)的變化范圍超過(guò)閾值，那么整個(gè)濾波器將被清空，隨之向?yàn)V波器拷入新的數(shù)據(jù)，同時(shí)復(fù)制到輸出，這樣就能大大降低較大變化發(fā)生時(shí)的延遲。濾波器的大小要根據(jù)所需的分辨率、ADC采樣率以及天平的響應(yīng)時(shí)間規(guī)范進(jìn)行選擇。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成
現(xiàn)在，我們已經(jīng)討論了模擬前端設(shè)計(jì)方案以及改善性能的諸多考慮因素，不過(guò)整個(gè)天平解決方案不僅僅包含模擬前端。根據(jù)具體的應(yīng)用要求，每個(gè)天平設(shè)計(jì)都會(huì)采用各種不可或缺的元件，例如通信接口和用戶界面等。圖5顯示了天平解決方案的典型實(shí)施示意圖。
圖5：基于賽普拉斯PSoC 3器件的集成型天平解決方案
除了實(shí)施稱(chēng)重感應(yīng)器的模擬前端之外，系統(tǒng)可能還需要測(cè)量其它模擬感應(yīng)器。一些高精度天平需要溫度監(jiān)控功能來(lái)補(bǔ)償稱(chēng)重感應(yīng)器因溫度產(chǎn)生的漂移，這就意味著要實(shí)施熱敏電阻接口。如果整個(gè)解決方案要實(shí)現(xiàn)便攜性，就要具備電池充電器接口，這種情況下需要利用ADC進(jìn)行電壓和電流監(jiān)控，以及單獨(dú)的過(guò)壓比較器和電流保護(hù)電路。市場(chǎng)上有一些用來(lái)提供電池充電功能的專(zhuān)用器件，不過(guò)這些功能可以集成到可編程器件SOC中，例如PSoC3。
對(duì)于用戶界面而言，輸入方式可以是簡(jiǎn)單的觸摸按鈕。隨著觸摸技術(shù)的發(fā)展，有些設(shè)計(jì)可以考慮采用電容式感應(yīng)界面。此外，輸出可采用LCD技術(shù)，不過(guò)出于成本考慮，大多數(shù)設(shè)計(jì)都采用LCD的直接驅(qū)動(dòng)方式，以避免LCD驅(qū)動(dòng)器成本。
通信接口可以采用簡(jiǎn)單的USB到主機(jī)處理器鏈路，也可以采用從SPI/I2C到另一無(wú)線通信器件的連接方式。這些接口的集成能大幅降低系統(tǒng)成本。
到目前為止，我們討論的都是大多數(shù)設(shè)計(jì)所需的基本元件。不過(guò)有些天平，例如銷(xiāo)售點(diǎn)終端機(jī)所用的天平，還需要集成熱敏打印機(jī)和磁卡讀取接口。熱敏打印機(jī)采用類(lèi)似于SPI接口的串行器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于測(cè)量報(bào)頭溫度的模擬元件以及打印紙感應(yīng)器。許多可編程SoC都提供了可編程數(shù)字陣列，能通過(guò)編程的方式集成熱敏打印機(jī)接口。
磁卡是另一種復(fù)雜的模擬功能，通常采用ASIC平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。如果能將這一功能也集成到SOC中，就能大幅降低BOM成本，而賽普拉斯PSoC3已經(jīng)成功地做到了這一點(diǎn)。SoC的可編程性允許在運(yùn)行時(shí)將不同資源進(jìn)行重配置，例如ADC規(guī)范（輸入范圍、分辨率等），以及不同外設(shè)之間的連接等。在天平應(yīng)用中，所有操作——測(cè)量、打印和讀卡——并非同時(shí)進(jìn)行。因此，芯片上的所有資源都能分時(shí)段共享，從而讓設(shè)計(jì)方案變得非常小型化和低成本。
天平系統(tǒng)是精度要求最高的測(cè)量系統(tǒng)之一。由于可靠性要求很好，設(shè)計(jì)人員需要了解稱(chēng)重感應(yīng)器的基本要素，明確系統(tǒng)中各種不同的誤差源，并找到模擬前端所需的具體規(guī)范，包括ADC、放大器和濾波器規(guī)范等。Delta Sigma ADC是這種應(yīng)用的最佳ADC類(lèi)型，因?yàn)槠鋬?nèi)在的LFP響應(yīng)功能可以有效解決高頻噪聲，而且能通過(guò)調(diào)節(jié)采樣率來(lái)應(yīng)對(duì)電源噪聲。ADC中內(nèi)置的增益級(jí)能降低系統(tǒng)整體噪聲，相對(duì)于采用外部增益級(jí)而言能顯著提高ENOB。此外，我們還需要使用基于固件的濾波器（即滑動(dòng)平均濾波器）來(lái)進(jìn)一步降低噪聲。系統(tǒng)需要的其它元件包括用戶界面（按鈕、LCD等）、通信接口（USB、UARTv等）和溫度感應(yīng)等。因此，SoC最適合此類(lèi)應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)高度集成的低成本解決方案，并充分滿足當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)要求。SoC還能在同一芯片上集成熱敏打印機(jī)和讀卡器等其它解決方案。
評(píng)論