介紹

高分辨率，低頻測量易于實現和執行。所需要的只是深入了解信號鏈中的所有內容，并考慮每個組件的各個方面。認真地說，為了從傳感器到信號鏈，再到模數轉換器，獲得最大的系統性能，需要進行一些考慮。我們最近發布了演示電路1410，該博客用于記錄實現的電路的設計過程。

為了使本文實用，我們將解決一個實際問題并解決設計約束。希望進行深入的分析，以作為工程師選擇零件時的指南。我們的現實問題是要從我們的25磅（?12千克）惠斯通電橋稱重傳感器SP-25L獲得最大分辨率，如圖1所示。

技術指標

第一件事第一！需要注意的惠斯通電橋稱重傳感器的規格和限制是什么？該稱重傳感器的最小輸入電阻為400Ω，標稱輸出電阻為350Ω，最大激勵電壓為15 V直流，輸出為2 mV / V，并且溫度補償范圍為14°F至104°F（– 10°C至40°C）。為了簡化分析，我們將不考慮溫度漂移。另外，為了使事情實用，傳感器的激勵電壓將為5V。這將在2.5 V共模信號上為我們提供10 mV擺幅。

分析

我們要面對什么？

為了從傳感器獲得最大的分辨率，我們需要確保傳感器噪聲主導系統。由于此傳感器本質上是電阻器，因此限制了熱噪聲：

電壓噪聲密度=

DC1410A-A使用配置為以7.5sps采樣的LTC2498 24位Δ-ΣADC和用于增益和緩沖的LT1678低噪聲，軌到軌，運算放大器。下一段而不是手動揮舞為什么使用LT1678，而是顯示為什么這是我們的最佳選擇的過程。

搜索圣杯又名運算放大器

我們的帶寬將為DC到7.5 Hz，我們將需要尋找輸入噪聲比稱重傳感器低的雙低噪聲放大器：

>運算放大器輸入噪聲

您可能會注意到，我們使用DC到10 Hz的帶寬，這是由于匹配了OP AMP數據表中0.1 Hz到10 Hz噪聲指標的噪聲系數。好的，我們進入analog.com，并進行參數搜索以獲取最低的輸入噪聲密度，然后開始在數據手冊中搜索輸入噪聲。在考慮了我的生活選擇幾個小時之后，誕生了一張桌子，叫做表1。

您應該注意的第一件事是沒有比傳感器更好的運算放大器。實際上，我發現LT1028是唯一具有低于傳感器輸入噪聲電平的放大器。為什么不在桌子上？好問題;它只有一個包裝。因此，我們最好的候選產品是LT1124（LT1126是LT1124的失補償版本）和LT1678。這意味著我們受到運算放大器而不是傳感器的限制。這是一個很好的例子，我們必須做出艱難的選擇以減少零件數量以提高性能。在這種情況下，我們喜歡簡單。

理想的情況是，任何電路都采用單電源供電還是分開供電，因此，我們的電路自然需要一個軌到軌運算放大器。我們放棄了4 nVRMS的噪聲來制作這種單電源。朋友之間的4 nV噪聲是多少？

最后，我們是放大器的贏家，但我們需要確保輸入電流噪聲密度符合猶太潔食標準：

電壓噪聲：

這遠低于輸入電壓噪聲，現在我們可以繼續前進了。

應該有什么收獲？

試圖設置放大器的增益以最大化ADC的滿量程范圍是很誘人的。稱重傳感器的最大擺幅為10 mV：

甲V= 2.5V / 10mV的= 250

但是我們跳了槍。對于高分辨率ADC，這是不必要的，并且這樣做會有害。通過限制增益可以獲得更好的性能，從而使放大器的輸入噪聲占主導地位，而不是ADC的噪聲占主導地位。這將使系統發揮最大性能。

理想情況下，您希望受到傳感器的限制，但我們的瓶頸是運算放大器，并且演出必須繼續進行：

AV= 600nVRMS/ 18nVRMS= 33.33

增益34應該足以確保OP AMP占主導地位。DC1410A具有放大器的軟件可選范圍，最接近的增益是32，非常接近我們需要的位置。而且，在不修改演示板的情況下，我們可以獲得合理的結果。

我們不是忘了什么嗎？

接得好！我們沒有考慮一些事情。放大器的失調被忽略了，因為LTC2498通過為我們抵消了它而基本上消除了這一點。ADC讀取兩個極性相反的讀數，以消除任何失調。

另一個考慮因素是ADC多路復用器開關的串聯電阻。盡管該值在數據表中標稱值為100，但尚無保證指定該值。在實驗中，我測得的電阻約為150至200。

電壓噪聲密度=

噪聲：

如您所見，由于放大器仍將占主導地位，因此這種噪聲增加不會產生影響。

放大器之后需要一個濾波器來處理ADC的跟蹤和保持電路瞬變。幸運的是，該濾波器已在數據表中顯示，我無需實驗確定其值。

結果

最后，該進行測試和校準了。我問我的同事他校準過的體重，然后繼續前進。

空載時，本底噪聲約為80 nV：

?

?

噪音=

與我們之前的分析相比，這確實很糟糕，但是有一個合乎邏輯的解釋。要查看信號鏈的實際性能，需要將通道與適當的共模電壓一起短路：

噪音=

如您所見，我們做得很好。我們對放大器的噪聲分析感到悲觀，原因有兩個：1）LTC2498每隔一個相反極性的采樣對事實進行抵消，從而消除了1 / f噪聲，2）LTC2498以7.5 Hz采樣，因此較低的帶寬和較低的噪聲。

那么，當我們從稱重傳感器上讀取時，額外的噪聲又如何呢？在這種分辨率下，稱重傳感器的作用就像地震儀。我將稱重傳感器設置放在舒適的實驗室椅子上，從而降低了噪音。椅子為振動創建一個低通濾波器。從技術上講，椅子的作用就像電阻器，砧座的作用像電容器，但這是機電系統類似物的另一個主題。圖5顯示了CH P0-N1上較低的噪聲，這是由于我舒適的實驗室椅子上的阻尼引起的。

?

?

好的，既然我們已經驗證了我們的系統，那么該練習一下了！我在稱重傳感器上放置了2千克重，然后在兩點校準中放置了10千克重。經過一些數學運算后，我有了斜率和偏移量來真正測試此設置。圖6顯示了1 g，10 g和2 kg的堆疊。事情變得有些失控，工作與娛樂之間的界限變得模糊了。圖6顯示了通過施加不同的載荷來“工作”的過程。

底線是，設置的分辨率為0.1 g，滿量程擺動為12 kg。等于?101.6 dB或16.6位。