HX717模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（ADC）基礎(chǔ)知識(shí)

HX717是一款專為高精度電子秤和稱重傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)的24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（ADC）。它以其高集成度、低成本、高精度和易用性而聞名，廣泛應(yīng)用于各種稱重測(cè)量系統(tǒng)，從家用電子秤到工業(yè)稱重設(shè)備。

1. HX717芯片概述

HX717芯片內(nèi)部集成了高精度、低噪聲的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)可編程增益放大器（PGA）、一個(gè)高精度片上振蕩器以及數(shù)字濾波電路。這些特性使其能夠直接與各種類型的惠斯通電橋（如應(yīng)變片傳感器）連接，并提供準(zhǔn)確、穩(wěn)定的數(shù)字輸出。

2. 主要特性

HX717芯片擁有多項(xiàng)關(guān)鍵特性，使其成為稱重應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇：

• 24位高精度ADC： 提供出色的分辨率，能夠檢測(cè)到微小的重量變化。24位的分辨率意味著它能將模擬信號(hào)量化為2的24次方（約1670萬(wàn)）個(gè)數(shù)字級(jí)別，從而提供極高的測(cè)量精度。

• 兩路可選差分輸入通道： 芯片提供兩個(gè)獨(dú)立的模擬輸入通道（A和B），方便連接多個(gè)傳感器或?qū)崿F(xiàn)差分測(cè)量，以消除共模噪聲。通道A通常具有一個(gè)可編程增益放大器（PGA），增益可選擇128或64；通道B則具有固定的32倍增益。

• 片內(nèi)低噪聲PGA： 可編程增益放大器能夠放大微弱的傳感器信號(hào)，提高轉(zhuǎn)換精度。對(duì)于稱重傳感器這類輸出信號(hào)通常為毫伏級(jí)的設(shè)備，高增益PGA至關(guān)重要。增益為128時(shí)，芯片可提供滿量程差分輸入電壓為±20mV的范圍；增益為64時(shí)為±40mV；增益為32時(shí)為±80mV。

• 片內(nèi)振蕩器： 無(wú)需外部晶振，降低了系統(tǒng)成本并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。芯片內(nèi)部集成的RC振蕩器提供穩(wěn)定的時(shí)鐘源，但也可以選擇外部時(shí)鐘輸入，以獲得更高的時(shí)鐘精度。

• 簡(jiǎn)單數(shù)字控制和串行接口： HX717采用兩線式（CLOCK和DATA）串行通信協(xié)議，易于與微控制器（MCU）接口。這種簡(jiǎn)單而高效的通信方式大大簡(jiǎn)化了軟件開(kāi)發(fā)和硬件連接。

• 可選擇的輸出數(shù)據(jù)速率： 支持10SPS（每秒10次采樣）和80SPS（每秒80次采樣）兩種輸出數(shù)據(jù)速率。10SPS模式提供更高的噪聲抑制能力，適用于對(duì)穩(wěn)定性和精度要求較高的應(yīng)用；80SPS模式則提供更快的數(shù)據(jù)更新速率，適用于需要快速響應(yīng)的應(yīng)用。

• 供電范圍廣： 可以在2.6V到5.5V的寬電壓范圍內(nèi)工作，兼容多種電源設(shè)計(jì)。

• 低功耗： 正常工作電流低，并具有掉電模式，有助于延長(zhǎng)電池壽命，特別適用于便攜式設(shè)備。在正常工作模式下，典型電流消耗為1.5mA，在掉電模式下僅為1μA。

3. 工作原理

HX717的工作原理可以概括為以下幾個(gè)步驟：

• 模擬信號(hào)輸入： 稱重傳感器（如應(yīng)變片）將重量轉(zhuǎn)換為微小的電壓信號(hào)，該信號(hào)通常是差分形式的。這些信號(hào)通過(guò)HX717的A或B通道輸入。

• 可編程增益放大： 輸入的模擬信號(hào)首先經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部的低噪聲PGA進(jìn)行放大。PGA的增益根據(jù)所選的通道和配置進(jìn)行設(shè)置。例如，選擇通道A并設(shè)置增益為128，可以將傳感器的微弱信號(hào)放大128倍，使其更適合ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

• 模數(shù)轉(zhuǎn)換： 放大后的模擬信號(hào)被送入24位高精度逐次逼近型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC將連續(xù)變化的模擬電壓轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字值。其核心是比較輸入電壓與內(nèi)部產(chǎn)生的參考電壓，逐步逼近最終的數(shù)字量。

• 數(shù)字濾波： 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部數(shù)字濾波處理，以消除噪聲和提高測(cè)量穩(wěn)定性。數(shù)字濾波可以有效抑制工頻干擾和其他環(huán)境噪聲。

• 串行數(shù)據(jù)輸出： 經(jīng)過(guò)濾波的數(shù)字結(jié)果通過(guò)兩線串行接口（DATA和CLOCK）輸出給外部微控制器。微控制器通過(guò)讀取DATA線上的數(shù)據(jù)位來(lái)獲取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并使用CLOCK線來(lái)同步數(shù)據(jù)傳輸。

4. 引腳定義

HX717芯片通常采用SOP-16封裝，其主要引腳包括：

• VDD： 模擬電源和數(shù)字電源輸入。

• GND： 地。

• SCK： 串行時(shí)鐘輸入引腳，用于同步數(shù)據(jù)傳輸。

• DOUT： 串行數(shù)據(jù)輸出引腳，在SCK的上升沿輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)DOUT為高電平時(shí)，表示芯片未準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。

• RATE： 輸出數(shù)據(jù)速率選擇引腳。當(dāng)該引腳接地時(shí)，數(shù)據(jù)輸出速率為10SPS；當(dāng)該引腳連接到VDD時(shí)，數(shù)據(jù)輸出速率為80SPS。

• PD_SCK： 掉電選擇引腳。當(dāng)該引腳在時(shí)鐘上升沿時(shí)連續(xù)25個(gè)或更多時(shí)鐘脈沖為高電平，芯片將進(jìn)入掉電模式。

• AGND： 模擬地。

• AVDD： 模擬電源。

• IOVCC： I/O電源。

• E+/E-： 傳感器激勵(lì)電源輸出引腳，用于驅(qū)動(dòng)稱重傳感器。

• A+/A-： 差分模擬輸入通道A。

• B+/B-： 差分模擬輸入通道B。

5. 應(yīng)用領(lǐng)域

HX717芯片因其高精度和易用性，廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

• 電子秤： 各種類型的家用電子秤、廚房秤、人體秤。

• 工業(yè)稱重系統(tǒng)： 工業(yè)控制中的物料稱重、料罐稱重、皮帶秤。

• 智能家居設(shè)備： 智能體重秤、智能垃圾桶。

• 農(nóng)業(yè)設(shè)備： 動(dòng)物稱重、飼料稱重。

• 醫(yī)療設(shè)備： 醫(yī)用秤、病人監(jiān)測(cè)設(shè)備。

• 其他高精度測(cè)量應(yīng)用： 力傳感器、壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集。

6. 與微控制器接口

HX717與微控制器的接口非常簡(jiǎn)單，通常只需要連接DOUT和SCK兩個(gè)引腳。

• DOUT連接到微控制器的GPIO輸入引腳。

• SCK連接到微控制器的GPIO輸出引腳。

通信協(xié)議如下：

1. 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換： 微控制器將SCK拉低，HX717開(kāi)始進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2. 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒： 微控制器持續(xù)讀取DOUT引腳。當(dāng)DOUT變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，表示HX717已完成轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備就緒。

3. 讀取數(shù)據(jù)： 微控制器通過(guò)發(fā)送24個(gè)SCK脈沖來(lái)讀取24位數(shù)據(jù)。在每個(gè)SCK上升沿之后，微控制器讀取DOUT上的數(shù)據(jù)位（從最高位到最低位）。

4. 選擇通道和增益： 在讀取完24位數(shù)據(jù)后，微控制器繼續(xù)發(fā)送額外的SCK脈沖（1到3個(gè)）。這些額外的脈沖用于設(shè)置下一次轉(zhuǎn)換的通道和增益。

• 1個(gè)額外的脈沖：選擇通道A，增益128。

• 2個(gè)額外的脈沖：選擇通道B，增益32。

• 3個(gè)額外的脈沖：選擇通道A，增益64。

7. 誤差來(lái)源與校準(zhǔn)

在使用HX717進(jìn)行稱重測(cè)量時(shí)，需要考慮一些潛在的誤差來(lái)源，并采取相應(yīng)的校準(zhǔn)措施：

• 傳感器非線性： 稱重傳感器本身可能存在非線性，導(dǎo)致輸出與實(shí)際重量不成線性關(guān)系。

• 溫度漂移： 溫度變化會(huì)影響傳感器和HX717芯片的性能，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果漂移。

• 零點(diǎn)漂移： 傳感器在沒(méi)有負(fù)載時(shí)輸出的信號(hào)可能不是嚴(yán)格的零，并且會(huì)隨時(shí)間或溫度變化。

• 增益漂移： 放大器的增益可能隨溫度或時(shí)間變化。

• 噪聲： 環(huán)境中的電磁干擾以及芯片內(nèi)部的噪聲都會(huì)影響測(cè)量精度。

為了提高測(cè)量精度，通常需要進(jìn)行以下校準(zhǔn)：

• 零點(diǎn)校準(zhǔn)： 在沒(méi)有負(fù)載的情況下，測(cè)量傳感器的輸出，并將其作為零點(diǎn)基準(zhǔn)。在后續(xù)測(cè)量中，從讀數(shù)中減去這個(gè)零點(diǎn)值。

• 標(biāo)定校準(zhǔn)（或滿量程校準(zhǔn)）： 在傳感器上施加已知的標(biāo)準(zhǔn)重量，記錄HX717的輸出。通過(guò)計(jì)算零點(diǎn)讀數(shù)和標(biāo)定讀數(shù)之間的差值，確定每單位重量對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。這樣可以建立一個(gè)將數(shù)字讀數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際重量的比例因子。通常會(huì)進(jìn)行多點(diǎn)校準(zhǔn)以提高精度。

• 溫度補(bǔ)償： 對(duì)于對(duì)溫度變化敏感的應(yīng)用，可能需要通過(guò)軟件算法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，或者使用具有溫度補(bǔ)償功能的傳感器。

8. 注意事項(xiàng)與優(yōu)化

在使用HX717進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，還需要注意以下幾點(diǎn)以優(yōu)化性能：

• 電源穩(wěn)定性： 為HX717提供干凈、穩(wěn)定的電源至關(guān)重要。電源中的噪聲會(huì)直接影響ADC的性能。建議在電源引腳附近放置去耦電容。

• 接地： 良好的接地布局對(duì)于降低噪聲和提高測(cè)量精度非常重要。建議使用星形接地或大面積地平面。

• 布線： 模擬信號(hào)線應(yīng)盡可能短，并遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)線和電源線，以減少干擾。差分輸入有助于抑制共模噪聲。

• 傳感器選擇： 選擇高質(zhì)量、穩(wěn)定且與HX717兼容的稱重傳感器。

• 機(jī)械設(shè)計(jì)： 確保稱重傳感器的安裝正確且穩(wěn)定，避免外部振動(dòng)或應(yīng)力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

• 軟件濾波： 除了HX717內(nèi)部的數(shù)字濾波，微控制器端也可以通過(guò)軟件算法（如均值濾波、中值濾波或卡爾曼濾波）進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

• 上電復(fù)位： HX717具有上電復(fù)位功能，確保芯片在電源穩(wěn)定后正確啟動(dòng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)確保電源在SCK引腳之前穩(wěn)定。

• 掉電模式： 當(dāng)不需要進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以通過(guò)控制SCK引腳將HX717置于掉電模式，以降低功耗，這對(duì)于電池供電的應(yīng)用尤其重要。

總結(jié)

HX717是一款功能強(qiáng)大、成本效益高的24位高精度ADC芯片，專為稱重測(cè)量應(yīng)用而設(shè)計(jì)。其集成度高、接口簡(jiǎn)單、精度高、功耗低等特點(diǎn)使其成為構(gòu)建各種電子秤和稱重系統(tǒng)的理想選擇。通過(guò)深入理解其工作原理、正確連接和合理校準(zhǔn)，可以充分發(fā)揮HX717的潛力，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的稱重測(cè)量。