HX717模數轉換芯片（ADC）基礎知識

HX717是一款專為高精度電子秤和稱重傳感器應用設計的24位高精度模數轉換芯片（ADC）。它以其高集成度、低成本、高精度和易用性而聞名，廣泛應用于各種稱重測量系統，從家用電子秤到工業稱重設備。

1. HX717芯片概述

HX717芯片內部集成了高精度、低噪聲的24位模數轉換器、一個可編程增益放大器（PGA）、一個高精度片上振蕩器以及數字濾波電路。這些特性使其能夠直接與各種類型的惠斯通電橋（如應變片傳感器）連接，并提供準確、穩定的數字輸出。

2. 主要特性

HX717芯片擁有多項關鍵特性，使其成為稱重應用領域的理想選擇：

• 24位高精度ADC： 提供出色的分辨率，能夠檢測到微小的重量變化。24位的分辨率意味著它能將模擬信號量化為2的24次方（約1670萬）個數字級別，從而提供極高的測量精度。

• 兩路可選差分輸入通道： 芯片提供兩個獨立的模擬輸入通道（A和B），方便連接多個傳感器或實現差分測量，以消除共模噪聲。通道A通常具有一個可編程增益放大器（PGA），增益可選擇128或64；通道B則具有固定的32倍增益。

• 片內低噪聲PGA： 可編程增益放大器能夠放大微弱的傳感器信號，提高轉換精度。對于稱重傳感器這類輸出信號通常為毫伏級的設備，高增益PGA至關重要。增益為128時，芯片可提供滿量程差分輸入電壓為±20mV的范圍；增益為64時為±40mV；增益為32時為±80mV。

• 片內振蕩器： 無需外部晶振，降低了系統成本并簡化了設計。芯片內部集成的RC振蕩器提供穩定的時鐘源，但也可以選擇外部時鐘輸入，以獲得更高的時鐘精度。

• 簡單數字控制和串行接口： HX717采用兩線式（CLOCK和DATA）串行通信協議，易于與微控制器（MCU）接口。這種簡單而高效的通信方式大大簡化了軟件開發和硬件連接。

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

• 供電范圍廣： 可以在2.6V到5.5V的寬電壓范圍內工作，兼容多種電源設計。

• 低功耗： 正常工作電流低，并具有掉電模式，有助于延長電池壽命，特別適用于便攜式設備。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步驟：

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

• 可編程增益放大： 輸入的模擬信號首先經過芯片內部的低噪聲PGA進行放大。PGA的增益根據所選的通道和配置進行設置。例如，選擇通道A并設置增益為128，可以將傳感器的微弱信號放大128倍，使其更適合ADC進行轉換。

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

• 數字濾波： 轉換后的數字信號經過內部數字濾波處理，以消除噪聲和提高測量穩定性。數字濾波可以有效抑制工頻干擾和其他環境噪聲。

• 串行數據輸出： 經過濾波的數字結果通過兩線串行接口（DATA和CLOCK）輸出給外部微控制器。微控制器通過讀取DATA線上的數據位來獲取轉換結果，并使用CLOCK線來同步數據傳輸。

4. 引腳定義

HX717芯片通常采用SOP-16封裝，其主要引腳包括：

• VDD： 模擬電源和數字電源輸入。

• GND： 地。

• SCK： 串行時鐘輸入引腳，用于同步數據傳輸。

• DOUT： 串行數據輸出引腳，在SCK的上升沿輸出數據。當DOUT為高電平時，表示芯片未準備好數據。

• RATE： 輸出數據速率選擇引腳。當該引腳接地時，數據輸出速率為10SPS；當該引腳連接到VDD時，數據輸出速率為80SPS。

• PD_SCK： 掉電選擇引腳。當該引腳在時鐘上升沿時連續25個或更多時鐘脈沖為高電平，芯片將進入掉電模式。

• AGND： 模擬地。

• AVDD： 模擬電源。

• IOVCC： I/O電源。

• E+/E-： 傳感器激勵電源輸出引腳，用于驅動稱重傳感器。

• A+/A-： 差分模擬輸入通道A。

• B+/B-： 差分模擬輸入通道B。

5. 應用領域

HX717芯片因其高精度和易用性，廣泛應用于以下領域：

• 電子秤： 各種類型的家用電子秤、廚房秤、人體秤。

• 工業稱重系統： 工業控制中的物料稱重、料罐稱重、皮帶秤。

• 智能家居設備： 智能體重秤、智能垃圾桶。

• 農業設備： 動物稱重、飼料稱重。

• 醫療設備： 醫用秤、病人監測設備。

• 其他高精度測量應用： 力傳感器、壓力傳感器的數據采集。

6. 與微控制器接口

HX717與微控制器的接口非常簡單，通常只需要連接DOUT和SCK兩個引腳。

• 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。

通信協議如下：

1. 啟動轉換： 微控制器將SCK拉低，HX717開始進行模數轉換。

2. 等待數據準備就緒： 微控制器持續讀取DOUT引腳。當DOUT變為低電平時，表示HX717已完成轉換，數據已準備就緒。

3. 讀取數據： 微控制器通過發送24個SCK脈沖來讀取24位數據。在每個SCK上升沿之后，微控制器讀取DOUT上的數據位（從最高位到最低位）。

4. 選擇通道和增益： 在讀取完24位數據后，微控制器繼續發送額外的SCK脈沖（1到3個）。這些額外的脈沖用于設置下一次轉換的通道和增益。

• 1個額外的脈沖：選擇通道A，增益128。

• 2個額外的脈沖：選擇通道B，增益32。

• 3個額外的脈沖：選擇通道A，增益64。

7. 誤差來源與校準

在使用HX717進行稱重測量時，需要考慮一些潛在的誤差來源，并采取相應的校準措施：

• 傳感器非線性： 稱重傳感器本身可能存在非線性，導致輸出與實際重量不成線性關系。

• 溫度漂移： 溫度變化會影響傳感器和HX717芯片的性能，導致測量結果漂移。

• 零點漂移： 傳感器在沒有負載時輸出的信號可能不是嚴格的零，并且會隨時間或溫度變化。

• 增益漂移： 放大器的增益可能隨溫度或時間變化。

• 噪聲： 環境中的電磁干擾以及芯片內部的噪聲都會影響測量精度。

為了提高測量精度，通常需要進行以下校準：

• 零點校準： 在沒有負載的情況下，測量傳感器的輸出，并將其作為零點基準。在后續測量中，從讀數中減去這個零點值。

• 標定校準（或滿量程校準）： 在傳感器上施加已知的標準重量，記錄HX717的輸出。通過計算零點讀數和標定讀數之間的差值，確定每單位重量對應的數字量。這樣可以建立一個將數字讀數轉換為實際重量的比例因子。通常會進行多點校準以提高精度。

• 溫度補償： 對于對溫度變化敏感的應用，可能需要通過軟件算法進行溫度補償，或者使用具有溫度補償功能的傳感器。

8. 注意事項與優化

在使用HX717進行系統設計時，還需要注意以下幾點以優化性能：

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

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

• 布線： 模擬信號線應盡可能短，并遠離數字信號線和電源線，以減少干擾。差分輸入有助于抑制共模噪聲。

• 傳感器選擇： 選擇高質量、穩定且與HX717兼容的稱重傳感器。

• 機械設計： 確保稱重傳感器的安裝正確且穩定，避免外部振動或應力對測量結果的影響。

• 軟件濾波： 除了HX717內部的數字濾波，微控制器端也可以通過軟件算法（如均值濾波、中值濾波或卡爾曼濾波）進一步提高數據穩定性。

• 上電復位： HX717具有上電復位功能，確保芯片在電源穩定后正確啟動。在系統設計時，應確保電源在SCK引腳之前穩定。

• 掉電模式： 當不需要進行測量時，可以通過控制SCK引腳將HX717置于掉電模式，以降低功耗，這對于電池供電的應用尤其重要。

總結

HX717是一款功能強大、成本效益高的24位高精度ADC芯片，專為稱重測量應用而設計。其集成度高、接口簡單、精度高、功耗低等特點使其成為構建各種電子秤和稱重系統的理想選擇。通過深入理解其工作原理、正確連接和合理校準，可以充分發揮HX717的潛力，實現準確可靠的稱重測量。