AD7190 是一款专门为电子秤 、应变计传感器设计的超低噪声 24 位Σ- ADC，可以用较少的外围电路实现两路传感器动态称重。本文主要介绍了在满足复杂的工业环境下，实现高速、高精度采集的 AD7190 芯片外围电路设计，包括低纹波、大电流的基准源电路、防止 EMI 干扰的前端滤波电路、防止动态漂移的补偿电路等。通过测试可以实现 1kHz 采样频率下保持万分之一的精度。

1.引言

随着社会智能化水平的提高，电子称重技术和电子衡器产品从静态称重向着快速称重、动态称重发展，应用领域也不断扩大，在工厂包装车间、物流分拣现场、载货车辆检测站等都可以发现电子秤的身影。在动态称重和快速称重领域对称重传感器和采集电路的稳定性、采集精度、采集速度要求更高。本文根据以上需求，利用 ADI公司的 AD7190 芯片设计了一款可以满足复杂环境下的称重传感器信号采集电路，较好的解决了以上问题。电子衡器是一个系统的设备，尤其是工业应用所涉及的安全性、稳定性要求较高，本文内容无法全部描述说明，本文将从设备的抗干扰和采集精度方面，着重介绍称重传感器的供电、信号的滤波、EMI 的抑制等几个方面。

2.系统原理介绍

整个系统包括系统供电电路、传感器激励源电路、传感器前端滤波电路、基准补偿电路和单片机数据处理电路，如图 1 所示。其中模拟信号采集电路和单片机处理电路用 ADUM1401 电池隔离芯片完全隔离，两个部分的供电也由 DC- DC 隔离电源完全隔开，用以避免数字信号对模拟信号的电磁干扰。

系统的抗干扰性主要提高设备通信接口、电源接口和传感器接口等与外部设备接口的抗电磁脉冲干扰性能。对于本系统的模拟采集电路，电源管理电路前端已有 DC- DC 隔离电源，只需要增加简单滤波电路即可。称重传感器接口电路外接的是系统供电的封闭传感器，有时需要连接较长的导线，需要抑制无线电磁干扰。

系统的采集精度取决于 ADC 芯片的精度、放大电路的性能、传感器激励源的纹波系数、滤波电路的性能等几个方面，另外微处理器算法中要处理好称重变送器的蠕变补偿和系统环境的温度补偿问题。

3.系统电路设计

3.1AD7190 应用

AD7190 是一款适用于高精密测量应用的 24位低噪声模拟信号采集芯片，内置 128 倍 PGA、数据缓冲器、Σ- 调制器、后接数字滤波器。滤波器可通过寄存器配置为 SINC3 或 SINC4 滤波方式，SINC4 滤波方式具有更好的 50Hz/60Hz 抑制性能，在输出速率较高时可提供更好的无噪声分辨率，在 SINC4 滤波方式下最高可提供 1.2kHz 的采集速率。另外芯片内置一个通道序列器 MUX，通过寄存器配置为两路差分输入，可用于两路称重传感器测量。

如图 2 所示，显示了 AD7190 在电子秤中的应用，负荷传感器位于电桥网络中，通过 5V 激励源供电，输出电压为 0mV～10mV。传感器输出的电压和激励源电压成比例关系，当激励源有波动时，输出电压也将不稳定，所以我们将激励电压作为ADC 的基准电压以降低波动的比例影响。输出的信号经过 MUX 通道选择、128 倍 PGA 放大、SINC4 滤波后转化为数字信号输出。

3.2激励源电路设计

根据称重传感器的特性，需要设计一个稳定低噪声恒流源或恒压源电路，使传感器输出电压或电流只与被测量事件有关，尽可能的降低负载变化影响[2]，本文选用基准电压芯片外加 CMOS 管扩流的恒压源的方案。REF5050 是一款 3μVpp/V噪声、3ppm/℃漂移精密电压基准，输出电压经过运放跟随器以提高阻抗，使输出电压更稳定，跟随器控制场效应管扩流，经过钽电容滤波，得到低纹波、大电流电压源，电压源可用于 AD7190 数字电压源 DVDD 供电。由于电路的模拟电源和数字电源是通过单点连线隔离的，所以上述得到的电压源和地经过三端滤波电容 EMI 和磁珠隔离后得到用于传感器和 AD7190 模拟电源供电的激励源，如图 3 所示。

3.3 传感器滤波电路

称重传感器按照接线方式分为四线制、五线制、六线制、七线制，包括激励源正、激励源负、信号输出正、信号输出负、激励源反馈正、激励源反馈负、屏蔽线，区别在于后三项的有无。本电路稍微调整激励反馈部分可满足上述各线制接法，PWR_SW 接口用于电桥关断开关，用于程序控制传感器供电，如图 4 所示。

传感器输出 信 号 正 、 负 对 地 电 源 约 为AVDD/2，差分电压为 0mV～10mV。信号经过 TVS管和 EMI 电容用于抑制电磁干扰，经过共模扼流圈用于抑制共模信号干扰，随后经过两级电容滤波进入 ADC 芯片，芯片接口处的 BAV199 钳制二极管用于限制输入电压在芯片安全范围内。对激励源反馈线进行相同处理，都是用于抑制传感器在复杂工业环境下的电磁干扰。

3.4 补偿电路与用法

以上激励源电路给传感器提供了低纹波、稳定的电压源，滤波电路滤除了环境对传感器的干扰，电路在长时间工作时的漂移和蠕变需要补偿电路和补偿算法处理。

如图 5 所示，REF5050 基准电压芯片输出的5V 电压经过分压得到 20mV 直流信号源，信号源经过一级放大跟随器以提高阻抗，再经过滤电容波和磁珠后得到稳定 20mV 参考源接入到另外一路ADC 输入口。在配置 AD7190 时开启多通道循环连续转换功能，循环检测传感器 AD 值和补偿电路AD 值，当补偿电路值变化时，我们认为激励源电压或是内部放电电路产生漂移，记录保存该值，进而在处理采集的传感器数据时进行比例增减运算。当传感器值产生微小变化而补偿电路没有变化时，我们认为传感器发生了蠕变，在处理采集的传感器数据也要进行相应处理。另外环境温度的变化，元器件在长时间工作时产生的变化都会影响采集的准确度，处理方式在其他文章中多有提及，这里不再介绍。

4.总结

根据作者多年的工作经验，结合现实工业环境需求，设计了一款可以满足多数应用的称重传感器采集电路。选用的 AD7190 芯片应用简单、内置的 MUX、PGA 和 SINC4 功能都符合称重传感器的需要且性能较好。针对和采集电路配套的单片机处理部分，要处理大量的 FIR 或卷积运算，并要与其他设备进行实时交互通信，建议选用 ARM、CPLD、DSP 等运算芯片。设备在工作时建议安装金属屏蔽罩并接地以降低电磁干扰。