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如何用24位Σ-Δ模数转换器CS1240设计电子秤

CS1240是一款中国本土开发的精密模数转换(ADC)芯片，分辨率为24位，有效精度高达21位，可以广泛应用于工业过程控制、电子秤、气体/液体检测仪和血液计等各种应用。
本文描述了该芯片的主要特点，并以普通和高精度电子秤为例，讨论了CS1240的典型应用电路。

芯海科技有限公司自主研发的CS1240是一款24位高精度、低功耗Σ-Δ模数转换芯片，其分辨率为24位，有效精度高达21位，可以在2.7V-5.5V电源电压条件下工作。

CS1240具有8个模拟输入端、8个数字输入输出通道， 可以选择输入通道模拟缓冲器或者直接将信号输入模数转换器，模拟缓冲器可以有效提高芯片的输入阻抗。
芯片提供内部测试电流(2微安)，可以检测输入端开路或短路情况。
集成的8位数模转换器(DAC)可以通过寄存器控制来调节输入信号的偏置电压，有效扩大输入信号的范围，最大可以调整满幅度(FS)的50%。

图1：CS1240芯片功能结构图。

CS1240/1241带有片内1～128倍可编程增益放大器(PGA)，在128倍时，有效分辨率可达19位。调制器是一个二阶Σ-Δ调制器，芯片的FIR滤波器提供50Hz和60Hz陷波滤波，有效提高芯片的抗干扰性能。

CS1240/1241提供兼容串行外围接口(SPI)的串行接口总线，并且可以通过配置使用多达8个数字I/O，只需要少量的外围元件就可以构成多种多样的应用电路。CS1240的功能结构图如图1所示。

典型应用电路

电子秤是目前常用的计量仪器，广泛应用在人们的日常生活中，图2示出了电子秤的基本原理图。

由于CS1240丰富的功能，并且带有SPI接口可以方便的与MCU进行通讯，因此只需极少量的外围元件就可以构成多种应用方案，特别适合应用在电子秤中。例如，由于片内自带PGA，因此就可以不需要外部的放大电路，这样可减小系统的噪声，降低成本。芯片带有自纠正电路和系统纠正电路，可以纠正芯片及系统的增益误差和失调误差，进一步提高了精度。CS1240的参考电压输入可以直接用电源电压，这样就不需要额外的参考源，可以简化电路设计、降低成本。

图2：电子秤系统的基本组成。

1．普通电子秤设计方案

图3是采用CS1240实现的普通电子秤电路原理图。传感器出来的信号经过外部的无源滤波器滤波后，送入到CS1240中。滤波器包括两个部分：第一部分是由电感和电容组成的EMI滤波器，用来减小外部环境对于电路的影响；第二部分是由电阻和电容组成的RC滤波器，用来限制输入信号的带宽，降低输入信号的噪声。

由于CS1240内部自带有PGA电路，所以图2中所示的放大部分在本电路中不需要。PGA的增益一般设置为64或者128。参考电压输入可以直接接在电源和地上，因此不需要额外的参考电压。为了减小参考源的噪声，需要在参考源的输入端加入10uF的滤波电容，这个电容越靠近芯片越好。在电路正常工作以前，可以通过自纠正和系统纠正来纠正芯片和系统的增益误差以及失调误差来提高整个系统的精度。

图3：普通电子秤电路电气原理图。

CS1240通过SPI接口与MCU进行通讯。SPI接口为标准的四线SPI接口，包括片选信号CS、串行时钟SCLK、串行输入SDI和串行输出SDO。通过SPI接口，可以读写CS1240内的各个控制寄存器和数据寄存器。可以看出，整个电路只需极少量的外围元件(主要是一些起滤波作用的电容、电感以及电阻等无源器件)，实现起来非常简单。

在设计电路时需要注意的是，因为CS1240是数模混合芯片，为了防止数字部分的噪声对模拟电路造成影响，最好使用单独的数字电源和模拟电源，在电容的输入端要加入旁路电容来减少电源噪声对于电路的影响。在制作PCB板时，数字地和模拟地要分开，最后通过单点接触连接起来。

2．高精度电子秤设计方案

一般说来，传感器输出的电压值都非常小，基本上都是毫伏级甚至微伏级。在设计高精度电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的增益。图4给出了高精度电子秤的电路原理图。

与图3显示的方案相比，这个电路主要是增加了由两个运算放大器(简称运放)及电阻RG和RF组成的放大电路。这个放大电路的增益为：

图4：高精度电子秤电气原理图。

通过调节RG和RF的值，就可以获得所需要的增益，配合CS1240提供的最大128倍增益，可以将输入信号放大到所需要的幅度。

选择运放时要注意，由于输入信号的幅度很小，因此对运放的噪声性能和失调电压要求非常高，应选择低噪声、低失调的运算放大器。

本文小结

目前，电子秤正朝着小型化、高精度、智能化方向发展。CS1240采用外形为10.2×5.3mm的SSOP28脚封装，尺寸很小，所需的外围器件也很少，满足了电子秤小型化的需求；它还提供了24位无失码，21位有效精度的高性能，满足了电子秤高精度的需求；其内置各种控制寄存器和数据寄存器，并且可以通过SPI接口方便地控制和读取这些寄存器，满足了电子秤智能化的需求。因此CS1240是电子秤中模数转换器的理想选择。

作者：万巍，深圳市芯海科技有限公司