扔掉那些比特!

关键词：模拟电路设计、转换器、ADC、运算放大器、系统设计、工程教育、物理验证与分析、信号完整性、设计方法

   高质量的测压元件 (load cell) 可能会具有 2-mV/V 输出传输功能，其意味着您获得的每一伏特激励电压都要 ±2 mV 满量程输出信号。4.096V 激励电压和全传感器挠度条件下，最大输出为 ±8.192 mV。在 12 位应用中，满量程的一半或许代表体重秤的 0 到 250 磅。如果您想要 0.25 磅精度，则您需要 1000 个输出测量点。要对 1/1000 满量程的东西进行研究，您必须能够辨别出 8.192 μV 的传感器输出变化。通过使用 4.4 的峰值因数（请参见参考文献 1），在 99.999% 时间中将峰至峰传感器噪声维持在 8.192 μV 以下，您便可以获得这种精度。在这种精度条件下，传感器的最低有效位为 8.192 μV，即 931 nV (rms)。

  图 1 中测压元件桥接具有 4.096V 的激励电压。INA326 仪表放大器紧随测压元件，具有 250V/V 的增益。系统的满量程电压 250×±8.192 mV 产生了一个 ±2.048V 的满量程信号。12 位 ADS7822将模拟信号数字化。

   该 12 位转换器系统必须具有一个模拟滤波器。低通模拟滤波器 (OPA333) 的主要功能是去除 A/D 转换器输入端上的高频信号分量（请参见参考文献 2）。由于电路中的测压元件以近乎直流电工作，您要将带宽限定在 10 Hz。

   现在，让我们来看一个 24 位系统的测压元件测量方法。在图 2 中，我们可以简单地将测压元件信号通过一个一阶低通滤波器，然后进入 △-∑ 模数转换器。该电路中的一阶滤波器消除了转换器采样频率周围的高频噪声（请参见参考文献3）。这种传感器为滤波器 R|C 对提供了电阻。

   观察图 2 所示 24 位 △-∑ 系统的误差，请注意，ADS1232 产生了 3.7 μV p-p 的噪声，其峰值因数为 4.4。这一数值大大低于传感器的最低有效位。另外，△-∑ 转换器的满量程范围为 4.096V，但是传感器的满量程输出范围却为 ±8.192 mV。正如您猜到的一样，您会“扔掉”△-∑ 转换器的大多数输出比特。

   您可能会发现，相比 24 位系统，12 位转换器系统最终会花费您更多的金钱、占用更多的电路板面积并耗费您更多的精力。

 
图 1 精度达到 0.25 磅的 12 位测压元件系统
 
图 2 高于 0.25 磅精度的 24 位测压元件系统

参考文献

1、《RMS 和峰至峰噪声平衡》，作者：Baker, Bonnie，EDN 杂志，2008 年 5月 15 日。
2、《您 SAR-ADC 应用中的奥秘》，作者：Baker, Bonnie，EDN 杂志，2008 年 12 月 15 日。
3、《模拟滤波器让 △-∑ 转换器设计更轻松》，作者：Baker, Bonnie，EDN 杂志，2008 年 6 月 12 日。

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