HX711 als 24-Bit-Frontend für eine Wägezelle

Der HX711 ist ein 24-Bit-Sigma-Delta-ADC für Waagen und industrielle Steuerungen, der direkt an einen Brückensensor angeschlossen werden kann. Ein rauscharmer Verstärker, der differenzielle Eingangsmultiplexer, der Wandler, eine synchrone serielle Schnittstelle, ein Oszillator und eine optionale Analogregelung befinden sich in einem SOP-16-Gehäuse.

Die Breite des Ausgangsworts bedeutet keine garantierten 24 rauschfreien Messbits. Empfindlichkeit und Erregung der Wägezelle, Kabelstörungen, Filter, Layout, mechanisches Kriechen und Kalibrierung begrenzen die nutzbare Auflösung.

Die Originalangaben nennen zwei Differenzeingänge. Kanal A arbeitet mit Verstärkung 128 oder 64, Kanal B fest mit 32. Die Datenrate beträgt 10 oder 80 Abtastungen pro Sekunde. DOUT und PD_SCK bilden eine eigene taktgesteuerte Verbindung; sie ist kein I2C-Bus.

Mit Brücke und Erregung beginnen

Eine übliche Wägezelle enthält vier Dehnungsmessstreifen in einer Wheatstone-Brücke. Zwei Leitungen speisen die Brücke, zwei führen die kleine Differenzspannung. Die Empfindlichkeit wird häufig in mV/V bei Nennlast angegeben, sodass Last und Erregung gemeinsam den ADC-Eingang bestimmen.

Eine Zelle mit 2 mV/V liefert bei 5 V ungefähr 10 mV unter Nennlast. Kanal A mit Verstärkung 128 hat bei 5 V AVDD einen Differenzbereich von etwa ±20 mV. Totlast, Vorspannung, bidirektionale Last und Überlast benötigen zusätzliche Reserve.

Eine Vierleiterzelle besitzt keine getrennten Fernfühlerleitungen. Spannungsabfall im langen Kabel wird Teil des Erregungsfehlers. Bei einer Sechsleiterzelle sind Anschluss und Referenzkonzept anzupassen; Kabelfarben allein sind keine sichere Zuordnung.

Das echte SOP-16L verwenden

Der HX711 ist für ein 16-poliges SOP-16L vorgesehen. Der Gehäusekörper ist ungefähr 9,9 mm lang und 3,9 mm breit, bei 1,27 mm Anschlussraster. Je acht Gullwing-Anschlüsse liegen an den beiden Längsseiten. Das Bauteil ist weder QFN noch LGA oder DIP.

Analogversorgung, Regler-Rückkopplung, Referenz-Bypass, Differenzeingänge, RATE, Oszillator, DOUT, PD_SCK und Digitalversorgung haben feste Positionen. Eine gespiegelte Anschlussfläche kann Brückensignale auf Versorgungspins legen.

Brückenstecker, Schutz, Eingangsfilter und INA-Pins bilden einen kurzen Analogpfad. Die Digitalleitungen verlassen die andere Seite in Richtung Controller.

Die Verstärkung aus dem realen Brückensignal wählen

Kanal A bietet die Verstärkungen 128 und 64. Bei 5 V AVDD entsprechen sie ungefähr ±20 mV und ±40 mV. Kanal B arbeitet mit Verstärkung 32 und etwa ±80 mV.

Verstärkung 128 ist ein verbreiteter Ausgangspunkt, doch eine Plattform kann bereits eine große Totlast erzeugen. Eingangspegel sind bei Null, Nennlast, Überlast, minimaler Erregung und ungünstigem Offset zu berechnen.

Bei Sättigung bleibt der Code am Endwert. Wiederholte Endwerte können auf Überlast, vertauschte Leitungen oder Unterbrechung hinweisen. Die zusätzlichen Taktimpulse nach einem Lesevorgang bestimmen Kanal und Verstärkung der folgenden Wandlung.

Brücke und ADC als gemeinsames Analogsystem versorgen

Die integrierte Reglersteuerung kann mit externem Transistor und Rückkopplung die Analogversorgung für Wandler und Wägezelle bereitstellen. Brückenausgang und ADC-Vollbereich folgen dadurch derselben Spannung, was eine ratiometrische Messung unterstützt.

AVDD wird mit ausreichender Reserve unter VSUP eingestellt. Die Schaltung nutzt die Referenz von ungefähr 1,25 V und einen Widerstandsteiler. AVDD und Referenz-Bypass werden lokal abgeblockt; Transistor, Widerstandstoleranzen, Brückenstrom und Temperatur sind einzurechnen.

Bei externer Analogversorgung müssen VFB, BASE und VSUP gemäß der ungenutzten Reglerkonfiguration verbunden werden. VFB bleibt nicht offen. DVDD folgt der Logikspannung des Controllers.

Den Differenzeingang symmetrisch filtern

Der Filter sitzt direkt hinter dem Vierleiteranschluss und vor INA+ und INA-. Beide Signalpfade erhalten gleiche Serienwiderstände und symmetrische Kapazitäten. Eine Kapazität zwischen den Eingängen dämpft Differenzstörungen, gleiche Kapazitäten zur ruhigen Referenz behandeln Gleichtaktenergie.

Unsymmetrie wandelt Gleichtaktstörung in Messsignal um. Werte, Leiterlängen und Umgebung müssen übereinstimmen. Auch Schutzbauteile brauchen vergleichbare Leckströme und Kapazitäten.

Der Filter muss innerhalb der Messzeit einschwingen. Hohe Widerstände erhöhen den Einfluss von Leckströmen, große Kapazitäten verlängern die Erholung nach Überlast. Die Sprungantwort wird mit realer Zelle und Kabel geprüft.

Differenz- und Gleichtaktbereich gemeinsam prüfen

Die Differenzspannung beträgt wenige Millivolt, während beide Eingänge gegenüber Masse meist nahe der halben Erregung liegen. Dieser Gleichtaktpegel muss innerhalb des zulässigen, von AGND und AVDD abhängigen Bereichs bleiben.

Unterbrechung, vertauschte Erregung oder schlechter Kontakt können einen Eingang aus dem Gleichtaktbereich verschieben. In der Fertigungsprüfung werden beide Eingänge gegen Analogmasse und ihre Differenz gemessen.

Eine Kabelschirmung wird nach dem Gehäuse- und Erdungskonzept angeschlossen. Schirmstrom gehört nicht in den empfindlichen Rückweg nahe den INA-Pins.

Zuerst den ruhigen Analogpfad platzieren

Brückenanschluss, Schutz, abgeglichener Filter und HX711-Eingänge bleiben kompakt und fern von Schaltreglern, Anzeigen, Funkteilen und Motoransteuerungen. Eine kontinuierliche lokale Bezugsebene hält den Rückweg kurz.

Die Erregungsleitungen führen mehr Strom als das Millivoltpaar und werden getrennt geführt. Spannungsabfall und Welligkeit der Erregung wirken auf die Messung. Leiterbreite und Rückspeisepunkt müssen zum Brückenstrom passen.

DOUT und PD_SCK laufen direkt zum Controller, ohne die Eingangszone zu kreuzen. Bei längeren Leitungen wird die Flankensteilheit kontrolliert und die Kopplung in Rohdaten gemessen.

10 oder 80 Abtastungen pro Sekunde bewusst wählen

Mit internem Oszillator wählt RATE etwa 10 oder 80 SPS. Der 10-SPS-Betrieb unterdrückt unter den spezifizierten Bedingungen gleichzeitig 50- und 60-Hz-Störungen und eignet sich für stabile Anzeigen. 80 SPS reagieren schneller, bringen jedoch mehr Rauschen und weniger Netzmittelung.

Auch die Mechanik hat eine Bandbreite. Eine Plattform schwingt nach dem Auflegen einer Last. Der schnelle Modus zeigt diese Bewegung. Ein übermäßig starker Digitalfilter kann eine schwer vorhersehbare Verzögerung erzeugen.

Nach Einschalten, Reset, Kanal- oder Verstärkungswechsel ist eine Einschwingzeit nötig. Nicht eingeschwungene Wandlungen werden verworfen.

Die Zeitfolge von DOUT und PD_SCK exakt umsetzen

DOUT bleibt während der Wandlung high und fällt bei verfügbaren Daten. Der Controller liest 24 Bit im Zweierkomplement, höchstwertiges Bit zuerst. Dieses Protokoll ist weder I2C noch normales SPI.

Insgesamt 25 Impulse wählen für die nächste Wandlung Kanal A mit Verstärkung 128, 26 Impulse Kanal B mit 32 und 27 Impulse Kanal A mit 64. Weniger als 25 oder mehr als 27 Impulse können die Kommunikation stören.

Bleibt PD_SCK etwa länger als 60 us high, wechselt der Baustein in den Abschaltzustand. Der Treiber muss Unterbrechungen beherrschen, das 24-Bit-Ergebnis korrekt vorzeichenerweitern und Zeitüberschreitung sowie Sättigung melden.

Den Abschaltmodus mit definierter Rückkehr verwenden

Ein dauerhaft hohes PD_SCK schaltet den HX711 ab. Versorgt die interne Reglerschaltung auch die Wägezelle, endet zugleich deren Erregung. Nach Rückkehr auf low wird der Baustein zurückgesetzt und beginnt mit Kanal A, Verstärkung 128.

Nach langer Pause ändern sich Eigenerwärmung und mechanische Temperatur erneut. Der erste elektrisch gültige Wert kann thermisch noch driften. Die Aufwärmzeit wird am fertigen Gerät bestimmt.

Bei Batteriegeräten ist die Energieersparnis gegen die erneute Einschwingzeit abzuwägen. Dauererregung kann trotz höheren Verbrauchs einen stabileren Nullpunkt liefern.

24 Bit nicht als garantierte Genauigkeit lesen

Die rauschfreie Auflösung hängt von Verstärkung, Datenrate, Versorgung, Layout und Quelle ab. Zur Wandlereigenschaft kommen Brückenrauschen, Kabelkopplung, Thermospannungen und mechanische Bewegung.

Zuerst werden ungefilterte Rohcodes bei Null, Last, Langzeit und kleinen Lastschritten untersucht. RMS-Rauschen, Spitze-Spitze-Streuung und stabile Anzeigeteilung sind getrennt anzugeben.

Mittelung verringert zufälliges Rauschen, korrigiert aber kein Kriechen, keine Hysterese, Überlastschäden oder Erregungsfehler. Die Anzeigeauflösung folgt der Wiederholbarkeit.

Den vollständigen Kraftpfad kalibrieren

Tarieren entfernt den aktuellen Nullpunkt mit Plattformgewicht und Montagevorspannung. Die Spannenkalibrierung nutzt rückführbare Lasten, um Codeänderung in Masse oder Kraft umzusetzen. Lastposition, Niveau und Wartezeit müssen reproduzierbar sein.

Wägezellen zeigen Kriechen, Hysterese, Eckenlast- und Temperatureffekte. Steigende und fallende Lasten sowie Haltezeiten werden protokolliert. Eine Raumtemperatur-Zweipunktanpassung deckt lange Belastung nicht ab.

Roh-Nullpunkt, Spannkoeffizient, Einheit, Zellenidentität und Hardwarekonfiguration werden gespeichert. Bei Sättigung oder auffälligem Rauschen ist die Kalibrierung ungültig.

Den Kabeleintritt für den Einsatz auslegen

Der Vierleiteranschluss liegt am Platinenrand, damit Leitungen die Kleinsignalzone nicht kreuzen. Eine Zugentlastung sitzt außerhalb des Kontakts. Abisolierlänge, Zugprüfung und Sichtkontrolle werden für den gewählten Anschluss definiert.

Lange Kabel nehmen elektrostatische, hochfrequente und netzfrequente Störungen auf. Schutzbauteile liegen vor dem Filter, mit geringem Leckstrom und symmetrischer Kapazität. EMV-Prüfungen verwenden das Serienkabel.

Farbcodes unterscheiden sich zwischen Herstellern. Die Fertigungsprüfung bestätigt Erregungs- und Signalpolarität. Ein vertauschtes Signalpaar kann plausible Werte mit umgekehrtem Vorzeichen liefern.

Bauteilidentität und Platinenvarianten kontrollieren

Beschaffungsunterlagen halten Hersteller, SOP-16 und freigegebene Quelle fest. Eine bekannte blaue oder grüne Modulfarbe beweist weder Bausteinidentität noch Schutz, RATE-Beschaltung oder Reglerausführung.

Der Wareneingang bestätigt das schmale SOP-16, Anschlusszahl und kritische Widerstands- und Kapazitätswerte. Bei Fertigmodulen sind Rauschen, Versorgung und Datenrate zu qualifizieren.

Ein Alternativwandler wird nach Eingangs- und Gleichtaktbereich, Verstärkung, Rauschen, Netzunterdrückung, Datenrate, Protokoll, Abschaltung, Gehäuse und Reglerfunktion verglichen.

Die Wägezellen-Frontend-Prüfung abschließen

Zu bestätigen sind Zellensensitivität, Erregung, Totlast, Überlastreserve, Funktion der vier Leitungen und Verstärkung von Kanal A. Danach folgen das etwa 9,9 × 3,9 mm große SOP-16L mit acht Anschlüssen pro Seite, symmetrischer Filter, Analogversorgung und ruhiger Rückweg.

Geprüft werden 10 und 80 SPS, Impulszahl, Vorzeichenerweiterung, Reset, Sättigung, Rohrauschen, Kriechen, Temperatur, Kabelstörungen und rückführbare Kalibrierung. Der HX711 ermöglicht ein kompaktes 24-Bit-Frontend; verlässliches Wiegen entsteht erst aus Brücke, Mechanik und Signalweg als abgestimmtem System.