数字天平是精度最高的模仿仪器之一。它选用力感应器检测物体分量。天平被广泛用于各种不同运用，包含销售点终端甚至工业丈量设备等。
最常见的天平规划办法是将电阻称重感应器装备为惠斯通电桥。但是，因为精确度要求较高，感应器的接口十分复杂。在称重感应器中，信号电平很低，使得噪声影响很大。本文将评论怎么精确丈量信号，然后充沛满意天平的精细丈量需求。本文还将讨论称重感应器的不同参数及其对精度的影响。天平体系不仅仅是一个用于完成高精度丈量的模仿前端 (AFE)，一起还要具有明晰的用户界面以及用于处理电池电量缺乏问题的升压电路。此外，关于某些天平而言，还需求经过某种通讯协议与主机控制器进行通讯。其它需求考虑的要素还包含本钱办理问题以及怎么使天平规划可以集成上述一切特性。
模仿前端
咱们先来看看天平的模仿前端。图1显现了天平运用的模仿前端根本布局。
图1：天平的模仿前端
在此布局中，首要将传感器的输出信号进行扩大，然后运用滤波去除电源和机械振动产生的噪声。滤波后的输出信号由高分辨率ADC进行采样。称重感应器便是电阻感应器，用来依据施加的负载状况供给份额电压。最常用的称重感应器包含若干个应变仪（strain gauges），并连接成一个惠斯通电桥。图2显现了构成称重感应器的应变仪在惠斯通电桥中的根本布局。
图2：全桥称重感应器装备
这是称重感应器的全桥布局，也称全作业状况，即一切臂都有应变仪并对输出改动起作用，其间两个应变仪产生张力正向改动，而别的两个应变仪则产生紧缩正向改动。这样，当向感应器施加压力时，两个感应器的电阻会添加，别的两个的电阻减小。电阻的改动导致电桥不平衡，然后构成与加载分量相对应的差动输出。
依据结构、资料和规划的不同，称重感应器有一些与自身特点有关的特定参数。咱们有必要首要了解这些参数，才干规划出称重感应器接口。
敏感度（额外输出）：这是称重感应器最重要的参数之一。称重感应器的敏感度界说为全负载输出电压与鼓励电压之比，一般单位是mV/V。这个值对应于1V鼓励电压状况下称重感应器在全负载状况下产生的电压差错。称重感应器的灵敏度十分低，一般只要2mV/V。假如体系的鼓励电压为3.3V，那么全负载状况下的输出电压为6.6mV。因而有必要为称重感应器装备高精度的ADC。
非线性：作为机械器材，称重感应器因为自身结构的原因存在非线性特性。称重感应器的非线性一般是额外输出的0.015%左右，相当于1位（当ADC进行13位采样的状况下）。不过，咱们有必要记住，称重感应器产生的非线性仅仅是全体体系非线性的一部分，丈量体系和模仿前端也会对体系的整体非线性产生影响。
滞后：滞后差错是指较轻分量和较高分量完成特定负载时称重感应器输出值的差异。这种状况是由称重感应器资料的形变特点形成的。较高分量或许暂时导致称重感应器产生变形，当到达方针负载时，形变引起的差错就会给称重感应器的输出形成影响。
可重复性：指在同一称重感应器上屡次放置相同分量，称重感应器测得负载值的改动。
蠕变（Creep）和蠕变康复（creep recovery）：蠕变是指丈量分量随时刻的改动，例如将丈量目标长时刻放在天平上。举例来说，目标刚放在天平上和放置30分钟之后比较，输出值会产生改动。此现象是由称重感应器所用资料的弹性特点引起的。廉价资料的蠕变值很大，并且称重感应器需求很长时刻才干从变形中康复。
体系精确性
大多数天平规划人员都选用两种不同分辨率，即显现分辨率和内部分辨率。显现分辨率是指天平终究显现的计量成果的分辨率，而内部分辨率则是内部模仿前端的实践分辨率。
咱们假定天平的称重感应器鼓励电压为5V，敏感度为2mV/V，则输出电压应为0-10mV。要想将天平的分辨率设定为5克，称重规模设定为10千克，那么天平的显现分辨率便是1:2000。如前所述，天平显现分辨率与内部分辨率不同，内部分辨率一般是显现分辨率的20到30倍。因而，关于此天平而言，内部分辨率应为1：60000，相当于16位内部分辨率。
咱们此前评论过，称重感应器接口或许会呈现多种感应差错，首要是感应器自身的差错。因而，需求使内部分辨率高于显现分辨率，这样便可经过更高的分辨率来补偿差错影响。
规划方案需运用16位分辨率来解析10mV输入。要丈量整个10mV的输出，最常用的办法是运用增益级对输入信号进行扩大，以满意ADC的输入规模要求，如图1所示，这样就能在较小规模内解析更多位。举例来说，要用1V规模的ADC完成10mV的丈量规模，用户应运用扩大器增益级将信号扩大将近100倍。
咱们再假定ADC的分辨率是20位，输入规模是1V。该ADC能解析的最小输入改动为1uV。在信号输入到ADC之前，需经过增益级将信号扩大至0-10mV，此刻最小解析电压仅为10nV。这种分辨率会导致信号很简单遭到噪声影响。增益级在扩大信号的一起也会扩大噪声。噪声会使很多ADC位无法运用，然后削减有用位数 (ENOB)。因而，规划人员有必要依据要求的增益设置挑选具有最佳ENOB的ADC。
丈量称重感应器输出最常用的ADC是DeltaSigma (DelSig) ADC。这种ADC选用信号过采样技能，然后再取十分之一，以取得较高分辨率。该架构使得ADC自身具有低通特性，有助于削减噪声的影响。
运用超卓的ADC只能处理一半问题。问题的另一半在于增益级。大多数规划都选用外部低噪声扩大器。现在市场上有些产品可将增益级完成在ADC的输入级内，例如赛普拉斯的PSoC3和PSoC5便是如此。办法是在PSoC的ADC输入端集成一个输入缓冲器，完成高达8倍的增益作用。并且ADC自身的调制级也能完成高达16位的增益。因为不需求外部扩大级，也就不存在扩大器噪声的影响，因而ADC可供给约18个有用位。不过关于天平运用而言，分辨率一般指峰峰值分辨率，也便是体系去除噪声影响后核算得出的有用峰峰值分辨率。
商用范畴一般要求16位的峰峰值分辨率，一起要能丈量整个10mV的输入规模。首要问题在于对体系噪声的处理，这会下降有用分辨率。
称重感应器接口的另一个首要问题是或许呈现增益差错，原因在于输出信号规模对鼓励电压的依赖性。鼓励电压的任何改动都会引起相似百分比的丈量值增益差错。假如依据鼓励电压的份额核算信号丈量值，就可以防止这一问题。详细有两种办法：
1) 咱们可别离丈量信号和鼓励电压，核算出份额，然后去除增益差错。不过，这种办法需求在两个信号之间进行ADC多路复用。该办法还有一个问题，即咱们检测的信号在10mV规模内，而鼓励电压则在几V规模内。这就需求动态改动增益设置和ADC规模参数，而这种做法在大多数模仿体系中并不可取。此外，动态改动参数还会形成两个独立丈量成果的不匹配。
