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CS1240是一款中國本土開發的精密模數轉換(ADC)芯片，分辨率為24位，有效精度高達21位，可以廣泛應用于工業過程控制、電子秤、氣體/液體檢測儀和血液計等各種應用。本文描述了該芯片的主要特點，并以普通和高精度電子秤為例，討論了CS1240的典型應用電路。 典型應用電路 圖1：CS1240芯片功能結構圖 芯海科技有限公司自主研發的CS1240是一款24位高精度、低功耗Σ-Δ模數轉換芯片，其分辨率為24位，有效精度高達21位，可以在2.7V-5.5V電源電壓條件下工作。 CS1240具有8個模擬輸入端、8個數字輸入輸出通道， 可以選擇輸入通道模擬緩沖器或者直接將信號輸入模數轉換器，模擬緩沖器可以有效提高芯片的輸入阻抗。芯片提供內部測試電流(2微安)，可以檢測輸入端開路或短路情況。集成的8位數模轉換器(DAC)可以通過寄存器控制來調節輸入信號的偏置電壓，有效擴大輸入信號的范圍，最大可以調整滿幅度(FS)的50%。 CS1240/1241帶有片內1～128倍可編程增益放大器(PGA)，在128倍時，有效分辨率可達19位。調制器是一個二階Σ-Δ調制器，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，并且可以通過配置使用多達8個數字I/O，只需要少量的外圍元件就可以構成多種多樣的應用電路。CS1240的功能結構圖如圖1所示。 圖2：電子秤系統的基本組成 電子秤是目前常用的計量儀器，廣泛應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，并且帶有SPI接口可以方便的與MCU進行通訊，因此只需極少量的外圍元件就可以構成多種應用方案，特別適合應用在電子秤中。例如，由于片內自帶PGA，因此就可以不需要外部的放大電路，這樣可減小系統的噪聲，降低成本。芯片帶有自糾正電路和系統糾正電路，可以糾正芯片及系統的增益誤差和失調誤差，進一步提高了精度。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，可以簡化電路設計、降低成本。 1．普通電子秤設計方案 圖3是采用CS1240實現的普通電子秤電路原理圖。傳感器出來的信號經過外部的無源濾波器濾波后，送入到CS1240中。濾波器包括兩個部分：第一部分是由電感和電容組成的EMI濾波器，用來減小外部環境對于電路的影響；第二部分是由電阻和電容組成的RC濾波器，用來限制輸入信號的帶寬，降低輸入信號的噪聲。 由于CS1240內部自帶有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，這個電容越靠近芯片越好。在電路正常工作以前，可以通過自糾正和系統糾正來糾正芯片和系統的增益誤差以及失調誤差來提高整個系統的精度。 圖3：普通電子秤電路電氣原理圖 CS1240通過SPI接口與MCU進行通訊。SPI接口為標準的四線SPI接口，包括片選信號CS、串行時鐘SCLK、串行輸入SDI和串行輸出SDO。通過SPI接口，可以讀寫CS1240內的各個控制寄存器和數據寄存器。可以看出，整個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、電感以及電阻等無源器件)，實現起來非常簡單。 在設計電路時需要注意的是，因為CS1240是數模混合芯片，為了防止數字部分的噪聲對模擬電路造成影響，最好使用單獨的數字電源和模擬電源，在電容的輸入端要加入旁路電容來減少電源噪聲對于電路的影響。在制作PCB板時，數字地和模擬地要分開，最后通過單點接觸連接起來。 2．高精度電子秤設計方案 一般說來，傳感器輸出的電壓值都非常小，基本上都是毫伏級甚至微伏級。在設計高精度電子秤時，需要外部放大電路來獲得足夠的增益。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，這個電路主要是增加了由兩個運算放大器(簡稱運放)及電阻RG和RF組成的放大電路。這個放大電路的增益為： 圖4：高精度電子秤電氣原理圖 通過調節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，可以將輸入信號放大到所需要的幅度。 選擇運放時要注意，由于輸入信號的幅度很小，因此對運放的噪聲性能和失調電壓要求非常高，應選擇低噪聲、低失調的運算放大器。 本文小結 目前，電子秤正朝著小型化、高精度、智能化方向發展。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；其內置各種控制寄存器和數據寄存器，并且可以通過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是電子秤中模數轉換器的理想選擇。 |
