天平的设计

Delta Sigma ADC的噪声降低

DelSig ADC的频率响应有一些冗余特性，我们可借此降低噪声。DelSig ADC是一种平均ADC，具有低通特性，能大幅降低噪声，这点我们此前已经有所讨论。不过，大多数DelSig ADC都具有特定的频率响应，例如PSoC3和PSoC5 ADC的Sinc响应。这种响应在特定频率（采样频率的倍频）下会出现空值。

这样，我们可以让ADC采样频率与某个特定值一致，从而消除特定的噪声频带。在消除50/60Hz等噪声源时，这种办法尤其有效。

进一步讨论滤波——滑动平均滤波

我们已经讨论了应如何避免天平设计中模拟信号链的噪声以及其它误差源。实现无噪声输出的最后一步是采用基于固件的数学平均滤波去除噪声。我们介绍图4中这种便于实施的滑动平均滤波器。它采用阵列形式，让输入值从一侧流入，并使最旧的值从另一侧滑出。在任何给定的时间内，滤波器的输出始终是阵列中所有元件的平均值。


图4：滑动平均滤波

滑动平均滤波是一种最简单最有效的滤波方式，可使测量系统实现更高的无噪声率。请注意，滤波器会造成常量延迟，而且延迟的大小与阵列深度成正比。这就意味着对于含有n个元件的滑动滤波器来说，每次变化都要经过n次循环才能在输出中显现。如果变化较大而且输出的反应速度很慢，就会造成一定的误导作用。我们可以通过设置变化阈值的方式来避免这种情况。举例来说，如果输入在特定时间内的变化范围超过阈值，那么整个滤波器将被清空，随之向滤波器拷入新的数据，同时复制到输出，这样就能大大降低较大变化发生时的延迟。滤波器的大小要根据所需的分辨率、ADC采样率以及天平的响应时间规范进行选择。

系统设计和集成

现在，我们已经讨论了模拟前端设计方案以及改善性能的诸多考虑因素，不过整个天平解决方案不仅仅包含模拟前端。根据具体的应用要求，每个天平设计都会采用各种不可或缺的元件，例如通信接口和用户界面等。图5显示了天平解决方案的典型实施示意图。


图5：基于赛普拉斯PSoC 3器件的集成型天平解决方案

除了实施称重感应器的模拟前端之外，系统可能还需要测量其它模拟感应器。一些高精度天平需要温度监控功能来补偿称重感应器因温度产生的漂移，这就意味着要实施热敏电阻接口。如果整个解决方案要实现便携性，就要具备电池充电器接口，这种情况下需要利用ADC进行电压和电流监控，以及单独的过压比较器和电流保护电路。市场上有一些用来提供电池充电功能的专用器件，不过这些功能可以集成到可编程器件SOC中，例如PSoC3。

对于用户界面而言，输入方式可以是简单的触摸按钮。随着触摸技术的发展，有些设计可以考虑采用电容式感应界面。此外，输出可采用LCD技术，不过出于成本考虑，大多数设计都采用LCD的直接驱动方式，以避免LCD驱动器成本。

通信接口可以采用简单的USB到主机处理器链路，也可以采用从SPI/I2C到另一无线通信器件的连接方式。这些接口的集成能大幅降低系统成本。

到目前为止，我们讨论的都是大多数设计所需的基本元件。不过有些天平，例如销售点终端机所用的天平，还需要集成热敏打印机和磁卡读取接口。热敏打印机采用类似于SPI接口的串行器、电机驱动电路、用于测量报头温度的模拟元件以及打印纸感应器。许多可编程SoC都提供了可编程数字阵列，能通过编程的方式集成热敏打印机接口。

磁卡是另一种复杂的模拟功能，通常采用ASIC平台实现。如果能将这一功能也集成到SOC中，就能大幅降低BOM成本，而赛普拉斯PSoC3已经成功地做到了这一点。SoC的可编程性允许在运行时将不同资源进行重配置，例如ADC规范（输入范围、分辨率等），以及不同外设之间的连接等。在天平应用中，所有操作——测量、打印和读卡——并非同时进行。因此，芯片上的所有资源都能分时段共享，从而让设计方案变得非常小型化和低成本。

天平系统是精度要求最高的测量系统之一。由于可靠性要求很好，设计人员需要了解称重感应器的基本要素，明确系统中各种不同的误差源，并找到模拟前端所需的具体规范，包括ADC、放大器和滤波器规范等。Delta Sigma ADC是这种应用的最佳ADC类型，因为其内在的LFP响应功能可以有效解决高频噪声，而且能通过调节采样率来应对电源噪声。ADC中内置的增益级能降低系统整体噪声，相对于采用外部增益级而言能显著提高ENOB。此外，我们还需要使用基于固件的滤波器（即滑动平均滤波器）来进一步降低噪声。系统需要的其它元件包括用户界面（按钮、LCD等）、通信接口（USB、UARTv等）和温度感应等。因此，SoC最适合此类应用，能实现高度集成的低成本解决方案，并充分满足当前竞争激烈的市场要求。SoC还能在同一芯片上集成热敏打印机和读卡器等其它解决方案。