電子秤所要求的精度在起初并不是很明顯。其典型分辨率僅為1:3,000～1:10,000，因此12 bit～14 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）看起來應(yīng)該足夠。但進一步的分析表明情況并不是這樣，實際上需要20 bit ADC。本文介紹電子秤系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計考慮，包括噪聲、動態(tài)范圍、失調(diào)漂移、增益漂移和濾波。

　　使用具有10,000計數(shù)分辨率能夠測量高達5 kg重量的電子秤能夠具有0.5 g重量分辨率。正如在液晶顯示器（LCD）上看到的，這種分辨率通常是指外部計數(shù)。為了確保滿足外部計數(shù)精度，通常內(nèi)部分辨率必須具有高于外部分辨率一個數(shù)量級的精度，有些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)部計數(shù)精度比外部計數(shù)精度高20倍。在這種情況下，內(nèi)部計數(shù)必須精確到是1:200,000。

　　在大多數(shù)電子秤應(yīng)用中，實際上僅使用ADC動態(tài)范圍的一小部分。如圖1所示，稱重傳感器（又稱作負荷傳感器）采用5 V電源供電，其滿量程輸出是10 mV，線性范圍是6 mV。如果前端電路級的增益為128，則ADC的滿量程輸入大約是768 mV。如果采用2.5 V的基準(zhǔn)電壓，則只使用了不足三分之一的ADC動態(tài)范圍。

　　如果內(nèi)部計數(shù)

　　工業(yè)電子秤系統(tǒng)通常工作在超過50 °C的溫度范圍，因此溫度漂移可能是其主要的誤差來源。例如，具有1 ppm/°C增益漂移的20 bit精度的系統(tǒng)在50°C的溫度范圍內(nèi)會產(chǎn)生50 LSB的誤差。雖然系統(tǒng)在25°C時可以精確到1 LSB，但它在超過滿溫度范圍時僅精確到50 LSB。因此當(dāng)設(shè)計電子秤時選用低漂移ADC非常重要。

　　失調(diào)漂移并不是一個很重要的考慮因素。大多數(shù)的Σ-Δ ADC采用“斬波”技術(shù)，這種技術(shù)具有降低漂移和提高抗噪聲干擾的優(yōu)勢。大多數(shù)電子秤設(shè)計工程師都會大大受益于斬波技術(shù)優(yōu)越的低漂移性能和抗噪聲干擾能 力。例如，AD7799 24 bit Σ-Δ ADC的失調(diào)漂移指標(biāo)僅為10 nV/°C。在20 bit系統(tǒng)中，其在全部50°C的工作范圍內(nèi)僅產(chǎn)生1/4 LSB的誤差。

　　人們在閱讀芯片使用說明時犯的一個普遍錯誤就是將有效值（RMS）噪聲與峰峰值（pk-pk）噪聲混淆。對于電子秤應(yīng)用，最重要的技術(shù)指標(biāo)是pk-pk噪聲或者是無噪聲分辨率。ADC的無噪聲分辨率是指超過這個位（bit）數(shù)它就不能清楚分辨?zhèn)€別編碼的分辨率，。

　　系統(tǒng)的pk-pk分辨率取決于ADC的更新速率。例如，當(dāng)AD7799的更新速率為4 Hz時，它能達到20.5 bit的pk-pk分辨率；當(dāng)為500 Hz時，pk-pk分辨率降低到16 bit。在電子秤系統(tǒng)中，設(shè)計工程師需要折衷ADC的最大采樣速率和顯示器的最小更新速率。對于高端電子秤，通常使用10 Hz的采樣速率。

　　在低更新速率時對低噪聲和高線性度的要求使得Σ-Δ ADC成為電子秤的最佳選擇。Σ-Δ ADC的第二個優(yōu)點是內(nèi)置的噪聲整形和數(shù)字濾波。首先量化噪聲可擴展到調(diào)制頻率的一半。然后限制數(shù)字濾波器的帶寬只通過低頻輸出，從而顯著地減少對復(fù)雜后處理的要求。

　　ADC也應(yīng)該包含一個低噪聲可編程增益放大器（PGA）以放大稱重傳感器的微弱信號輸出。這種內(nèi)置PGA與使用外部增益電阻器的分立放大器相比可提供低溫度漂移。專用于電子秤應(yīng)用的AD7799具有27 nV/√Hz噪聲指標(biāo)并且集成了一個可提供高達128增益的PGA，因此稱重傳感器可直接與ADC連接。

　　AD7799的有效分辨率受噪聲的限制，并且隨著其輸出數(shù)據(jù)數(shù)率和增益設(shè)置而變化。平均值濾波器可以用來增加有效分辨率并且去除盡可能多的噪 聲，從而可在保持最急劇的階躍響應(yīng)的同時減少隨機噪聲。該濾波器從ADC取M個數(shù)據(jù)點，刪除最小數(shù)據(jù)點和最大數(shù)據(jù)點，然后對M－2個點作平均。采用的公式 寫作如下：

        輸出數(shù)據(jù)數(shù)率保持不變。這屬于一階平均。對于更高的更新速率，通常需要使用二階平均。在這里，對第一級的輸出再作第二級的平均處理以進一步改進測量結(jié)果。 平均可將有效分辨率提高2.3 bit（從19.6 bit pk-pk 到 21.9 bit pk-pk）。其唯一的缺點就是由于流水線延遲而延長了建立時間，濾波器經(jīng)過M個周期的權(quán)重值變化之后才指示正確結(jié)果。

　　為了加快建立時間，認為權(quán)重值變化應(yīng)該發(fā)生在兩個數(shù)據(jù)點的差值和濾波器的輸出都超過閾值時。第二級的全部M個數(shù)據(jù)點使用最新數(shù)據(jù)以加快建立時 間。稱重傳感器也具有建立時間問題，可通過使用最新的ADC數(shù)據(jù)刷新平均窗口中的所有數(shù)據(jù)來改善建立時間。經(jīng)過6個刷新周期之后重新開始平均。