HX717模数转换芯片（ADC）基础知识

HX717是一款专为高精度电子秤和称重传感器应用设计的24位高精度模数转换芯片（ADC）。它以其高集成度、低成本、高精度和易用性而闻名，广泛应用于各种称重测量系统，从家用电子秤到工业称重设备。

1. HX717芯片概述

HX717芯片内部集成了高精度、低噪声的24位模数转换器、一个可编程增益放大器（PGA）、一个高精度片上振荡器以及数字滤波电路。这些特性使其能够直接与各种类型的惠斯通电桥（如应变片传感器）连接，并提供准确、稳定的数字输出。

2. 主要特性

HX717芯片拥有多项关键特性，使其成为称重应用领域的理想选择：

• 24位高精度ADC： 提供出色的分辨率，能够检测到微小的重量变化。24位的分辨率意味着它能将模拟信号量化为2的24次方（约1670万）个数字级别，从而提供极高的测量精度。

• 两路可选差分输入通道： 芯片提供两个独立的模拟输入通道（A和B），方便连接多个传感器或实现差分测量，以消除共模噪声。通道A通常具有一个可编程增益放大器（PGA），增益可选择128或64；通道B则具有固定的32倍增益。

• 片内低噪声PGA： 可编程增益放大器能够放大微弱的传感器信号，提高转换精度。对于称重传感器这类输出信号通常为毫伏级的设备，高增益PGA至关重要。增益为128时，芯片可提供满量程差分输入电压为±20mV的范围；增益为64时为±40mV；增益为32时为±80mV。

• 片内振荡器： 无需外部晶振，降低了系统成本并简化了设计。芯片内部集成的RC振荡器提供稳定的时钟源，但也可以选择外部时钟输入，以获得更高的时钟精度。

• 简单数字控制和串行接口： HX717采用两线式（CLOCK和DATA）串行通信协议，易于与微控制器（MCU）接口。这种简单而高效的通信方式大大简化了软件开发和硬件连接。

• 可选择的输出数据速率： 支持10SPS（每秒10次采样）和80SPS（每秒80次采样）两种输出数据速率。10SPS模式提供更高的噪声抑制能力，适用于对稳定性和精度要求较高的应用；80SPS模式则提供更快的数据更新速率，适用于需要快速响应的应用。

• 供电范围广： 可以在2.6V到5.5V的宽电压范围内工作，兼容多种电源设计。

• 低功耗： 正常工作电流低，并具有掉电模式，有助于延长电池寿命，特别适用于便携式设备。在正常工作模式下，典型电流消耗为1.5mA，在掉电模式下仅为1μA。

3. 工作原理

HX717的工作原理可以概括为以下几个步骤：

• 模拟信号输入： 称重传感器（如应变片）将重量转换为微小的电压信号，该信号通常是差分形式的。这些信号通过HX717的A或B通道输入。

• 可编程增益放大： 输入的模拟信号首先经过芯片内部的低噪声PGA进行放大。PGA的增益根据所选的通道和配置进行设置。例如，选择通道A并设置增益为128，可以将传感器的微弱信号放大128倍，使其更适合ADC进行转换。

• 模数转换： 放大后的模拟信号被送入24位高精度逐次逼近型（SAR）模数转换器。ADC将连续变化的模拟电压转换为离散的数字值。其核心是比较输入电压与内部产生的参考电压，逐步逼近最终的数字量。

• 数字滤波： 转换后的数字信号经过内部数字滤波处理，以消除噪声和提高测量稳定性。数字滤波可以有效抑制工频干扰和其他环境噪声。

• 串行数据输出： 经过滤波的数字结果通过两线串行接口（DATA和CLOCK）输出给外部微控制器。微控制器通过读取DATA线上的数据位来获取转换结果，并使用CLOCK线来同步数据传输。

4. 引脚定义

HX717芯片通常采用SOP-16封装，其主要引脚包括：

• VDD： 模拟电源和数字电源输入。

• GND： 地。

• SCK： 串行时钟输入引脚，用于同步数据传输。

• DOUT： 串行数据输出引脚，在SCK的上升沿输出数据。当DOUT为高电平时，表示芯片未准备好数据。

• RATE： 输出数据速率选择引脚。当该引脚接地时，数据输出速率为10SPS；当该引脚连接到VDD时，数据输出速率为80SPS。

• PD_SCK： 掉电选择引脚。当该引脚在时钟上升沿时连续25个或更多时钟脉冲为高电平，芯片将进入掉电模式。

• AGND： 模拟地。

• AVDD： 模拟电源。

• IOVCC： I/O电源。

• E+/E-： 传感器激励电源输出引脚，用于驱动称重传感器。

• A+/A-： 差分模拟输入通道A。

• B+/B-： 差分模拟输入通道B。

5. 应用领域

HX717芯片因其高精度和易用性，广泛应用于以下领域：

• 电子秤： 各种类型的家用电子秤、厨房秤、人体秤。

• 工业称重系统： 工业控制中的物料称重、料罐称重、皮带秤。

• 智能家居设备： 智能体重秤、智能垃圾桶。

• 农业设备： 动物称重、饲料称重。

• 医疗设备： 医用秤、病人监测设备。

• 其他高精度测量应用： 力传感器、压力传感器的数据采集。

6. 与微控制器接口

HX717与微控制器的接口非常简单，通常只需要连接DOUT和SCK两个引脚。

• DOUT连接到微控制器的GPIO输入引脚。

• SCK连接到微控制器的GPIO输出引脚。

通信协议如下：

1. 启动转换： 微控制器将SCK拉低，HX717开始进行模数转换。

2. 等待数据准备就绪： 微控制器持续读取DOUT引脚。当DOUT变为低电平时，表示HX717已完成转换，数据已准备就绪。

3. 读取数据： 微控制器通过发送24个SCK脉冲来读取24位数据。在每个SCK上升沿之后，微控制器读取DOUT上的数据位（从最高位到最低位）。

4. 选择通道和增益： 在读取完24位数据后，微控制器继续发送额外的SCK脉冲（1到3个）。这些额外的脉冲用于设置下一次转换的通道和增益。

• 1个额外的脉冲：选择通道A，增益128。

• 2个额外的脉冲：选择通道B，增益32。

• 3个额外的脉冲：选择通道A，增益64。

7. 误差来源与校准

在使用HX717进行称重测量时，需要考虑一些潜在的误差来源，并采取相应的校准措施：

• 传感器非线性： 称重传感器本身可能存在非线性，导致输出与实际重量不成线性关系。

• 温度漂移： 温度变化会影响传感器和HX717芯片的性能，导致测量结果漂移。

• 零点漂移： 传感器在没有负载时输出的信号可能不是严格的零，并且会随时间或温度变化。

• 增益漂移： 放大器的增益可能随温度或时间变化。

• 噪声： 环境中的电磁干扰以及芯片内部的噪声都会影响测量精度。

为了提高测量精度，通常需要进行以下校准：

• 零点校准： 在没有负载的情况下，测量传感器的输出，并将其作为零点基准。在后续测量中，从读数中减去这个零点值。

• 标定校准（或满量程校准）： 在传感器上施加已知的标准重量，记录HX717的输出。通过计算零点读数和标定读数之间的差值，确定每单位重量对应的数字量。这样可以建立一个将数字读数转换为实际重量的比例因子。通常会进行多点校准以提高精度。

• 温度补偿： 对于对温度变化敏感的应用，可能需要通过软件算法进行温度补偿，或者使用具有温度补偿功能的传感器。

8. 注意事项与优化

在使用HX717进行系统设计时，还需要注意以下几点以优化性能：

• 电源稳定性： 为HX717提供干净、稳定的电源至关重要。电源中的噪声会直接影响ADC的性能。建议在电源引脚附近放置去耦电容。

• 接地： 良好的接地布局对于降低噪声和提高测量精度非常重要。建议使用星形接地或大面积地平面。

• 布线： 模拟信号线应尽可能短，并远离数字信号线和电源线，以减少干扰。差分输入有助于抑制共模噪声。

• 传感器选择： 选择高质量、稳定且与HX717兼容的称重传感器。

• 机械设计： 确保称重传感器的安装正确且稳定，避免外部振动或应力对测量结果的影响。

• 软件滤波： 除了HX717内部的数字滤波，微控制器端也可以通过软件算法（如均值滤波、中值滤波或卡尔曼滤波）进一步提高数据稳定性。

• 上电复位： HX717具有上电复位功能，确保芯片在电源稳定后正确启动。在系统设计时，应确保电源在SCK引脚之前稳定。

• 掉电模式： 当不需要进行测量时，可以通过控制SCK引脚将HX717置于掉电模式，以降低功耗，这对于电池供电的应用尤其重要。

总结

HX717是一款功能强大、成本效益高的24位高精度ADC芯片，专为称重测量应用而设计。其集成度高、接口简单、精度高、功耗低等特点使其成为构建各种电子秤和称重系统的理想选择。通过深入理解其工作原理、正确连接和合理校准，可以充分发挥HX717的潜力，实现准确可靠的称重测量。