24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器CS1240在電子秤中的應(yīng)用

　　CS1240是一款中國(guó)本土開(kāi)發(fā)的精密模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)芯片，分辨率為24位，有效精度高達(dá)21位，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制、電子秤、氣體/液體檢測(cè)儀和血液計(jì)等各種應(yīng)用。本文描述了該芯片的主要特點(diǎn)，并以普通和高精度電子秤為例，討論了CS1240的典型應(yīng)用電路。

　　典型應(yīng)用電路

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圖1：CS1240芯片功能結(jié)構(gòu)圖

　　芯海科技有限公司自主研發(fā)的CS1240是一款24位高精度、低功耗Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其分辨率為24位，有效精度高達(dá)21位，可以在2.7V-5.5V電源電壓條件下工作。

　　CS1240具有8個(gè)模擬輸入端、8個(gè)數(shù)字輸入輸出通道， 可以選擇輸入通道模擬緩沖器或者直接將信號(hào)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模擬緩沖器可以有效提高芯片的輸入阻抗。芯片提供內(nèi)部測(cè)試電流(2微安)，可以檢測(cè)輸入端開(kāi)路或短路情況。集成的8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)可以通過(guò)寄存器控制來(lái)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的偏置電壓，有效擴(kuò)大輸入信號(hào)的范圍，最大可以調(diào)整滿幅度(FS)的50%。

　　CS1240/1241帶有片內(nèi)1～128倍可編程增益放大器(PGA)，在128倍時(shí)，有效分辨率可達(dá)19位。調(diào)制器是一個(gè)二階Σ-Δ調(diào)制器，芯片的FIR濾波器提供50Hz和60Hz陷波濾波，有效提高芯片的抗干擾性能。

　　CS1240/1241提供兼容串行外圍接口(SPI)的串行接口總線，并且可以通過(guò)配置使用多達(dá)8個(gè)數(shù)字I/O，只需要少量的外圍元件就可以構(gòu)成多種多樣的應(yīng)用電路。CS1240的功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖2：電子秤系統(tǒng)的基本組成

　　電子秤是目前常用的計(jì)量?jī)x器，廣泛應(yīng)用在人們的日常生活中，圖2示出了電子秤的基本原理圖。

　　由于CS1240豐富的功能，并且?guī)в蠸PI接口可以方便的與MCU進(jìn)行通訊，因此只需極少量的外圍元件就可以構(gòu)成多種應(yīng)用方案，特別適合應(yīng)用在電子秤中。例如，由于片內(nèi)自帶PGA，因此就可以不需要外部的放大電路，這樣可減小系統(tǒng)的噪聲，降低成本。芯片帶有自糾正電路和系統(tǒng)糾正電路，可以糾正芯片及系統(tǒng)的增益誤差和失調(diào)誤差，進(jìn)一步提高了精度。CS1240的參考電壓輸入可以直接用電源電壓，這樣就不需要額外的參考源，可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、降低成本。

　　1．普通電子秤設(shè)計(jì)方案

　　圖3是采用CS1240實(shí)現(xiàn)的普通電子秤電路原理圖。傳感器出來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)外部的無(wú)源濾波器濾波后，送入到CS1240中。濾波器包括兩個(gè)部分：第一部分是由電感和電容組成的EMI濾波器，用來(lái)減小外部環(huán)境對(duì)于電路的影響；第二部分是由電阻和電容組成的RC濾波器，用來(lái)限制輸入信號(hào)的帶寬，降低輸入信號(hào)的噪聲。

　　由于CS1240內(nèi)部自帶有PGA電路，所以圖2中所示的放大部分在本電路中不需要。PGA的增益一般設(shè)置為64或者128。參考電壓輸入可以直接接在電源和地上，因此不需要額外的參考電壓。為了減小參考源的噪聲，需要在參考源的輸入端加入10uF的濾波電容，這個(gè)電容越靠近芯片越好。在電路正常工作以前，可以通過(guò)自糾正和系統(tǒng)糾正來(lái)糾正芯片和系統(tǒng)的增益誤差以及失調(diào)誤差來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的精度。

圖3：普通電子秤電路電氣原理圖

　　CS1240通過(guò)SPI接口與MCU進(jìn)行通訊。SPI接口為標(biāo)準(zhǔn)的四線SPI接口，包括片選信號(hào)CS、串行時(shí)鐘SCLK、串行輸入SDI和串行輸出SDO。通過(guò)SPI接口，可以讀寫CS1240內(nèi)的各個(gè)控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。可以看出，整個(gè)電路只需極少量的外圍元件(主要是一些起濾波作用的電容、電感以及電阻等無(wú)源器件)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單。

　　在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要注意的是，因?yàn)镃S1240是數(shù)模混合芯片，為了防止數(shù)字部分的噪聲對(duì)模擬電路造成影響，最好使用單獨(dú)的數(shù)字電源和模擬電源，在電容的輸入端要加入旁路電容來(lái)減少電源噪聲對(duì)于電路的影響。在制作PCB板時(shí)，數(shù)字地和模擬地要分開(kāi)，最后通過(guò)單點(diǎn)接觸連接起來(lái)。

　　2．高精度電子秤設(shè)計(jì)方案

　　一般說(shuō)來(lái)，傳感器輸出的電壓值都非常小，基本上都是毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)。在設(shè)計(jì)高精度電子秤時(shí)，需要外部放大電路來(lái)獲得足夠的增益。圖4給出了高精度電子秤的電路原理圖。

　　與圖3顯示的方案相比，這個(gè)電路主要是增加了由兩個(gè)運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱運(yùn)放)及電阻RG和RF組成的放大電路。這個(gè)放大電路的增益為：

圖4：高精度電子秤電氣原理圖

　　通過(guò)調(diào)節(jié)RG和RF的值，就可以獲得所需要的增益，配合CS1240提供的最大128倍增益，可以將輸入信號(hào)放大到所需要的幅度。

　　選擇運(yùn)放時(shí)要注意，由于輸入信號(hào)的幅度很小，因此對(duì)運(yùn)放的噪聲性能和失調(diào)電壓要求非常高，應(yīng)選擇低噪聲、低失調(diào)的運(yùn)算放大器。

　　本文小結(jié)

　　目前，電子秤正朝著小型化、高精度、智能化方向發(fā)展。CS1240采用外形為10.2×5.3mm的SSOP28腳封裝，尺寸很小，所需的外圍器件也很少，滿足了電子秤小型化的需求；它還提供了24位無(wú)失碼，21位有效精度的高性能，滿足了電子秤高精度的需求；其內(nèi)置各種控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，并且可以通過(guò)SPI接口方便地控制和讀取這些寄存器，滿足了電子秤智能化的需求。因此CS1240是電子秤中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的理想選擇。