18位高精度模數轉換器FS511的原理和應用

1概述

FS511是富晶半導體推出的一款高精度、低功耗模數轉換器。其內核是一個(gè)18位精度的△-∑ADC，除△-∑ADC外，其內部還集成有運算放大器、低通濾波器、數字濾波器，能對輸入信號多次濾波，實(shí)現高精度A／D轉換。在5 V工作電壓下，FS511耗電僅為1.2 mA。該器件采用SPI總線(xiàn)與外部微處理器接口。另外，內部還設有多種控制寄存器，用戶(hù)可根據需要對其配置，從而得到不同的A／D轉換頻率、輸出速率、A／D精度等。

FS511可廣泛用于電子秤、傳感器測量裝置、高精度數據采集系統等。

2 FS511的主要特性及引腳功能

FS511的主要特性如下：

△ -∑ADC，18位轉換精度，10 Hz輸出速率(可編程)；
線(xiàn)性誤差：+0.005％；
工作電壓范圍：4.5 V～6 V；
4 MHz晶體振蕩器；
工作電流小于1.2 mA，睡眠模式電流約為1 μA；
與微處理器接口采用SPI總線(xiàn)；
低噪聲運算放大器。

FS511采用20引腳DIP或SOP封裝，其引腳排列如圖1所示，各引腳功能如下：

VDD(12)：模擬電源正極。與5 V直流電源相連，連接一只0.1 μF電容旁路至模擬地，并用一只10μF的電容并聯(lián)至模擬地；
VSSA(11)：模擬地；
VCC(14)：數字電源正極。連接一只0.1μF電容旁路至數字地，并用一只10μF電容并聯(lián)數字地；
VSS(13)：數字地；
XTAL0，XTAU(15，16)：連接4 MHz晶體振蕩器，同時(shí)在晶體振蕩器兩端并聯(lián)一只1 MΩ電阻。通過(guò)內部時(shí)鐘電路得到83.33 KHz的時(shí)鐘信號，作為內部△一∑ ADC的轉換頻率。

CS，Stock，DI，DO／IROO(20，19，18，17)：模擬SPI總線(xiàn)與微處理器傳輸數據。CS為片選，低電平有效；Stock為SPI時(shí)鐘輸入，可由外部輸入時(shí)鐘信號或通過(guò)微處理器模擬時(shí)鐘信號；DI為SH數據輸入，外部微處理器通過(guò)DI端口向FS511輸入初始化命令；DO／IRQO為SPI數據輸出或中斷請求輸出，當FS511完成A／D轉換，轉換結果通過(guò)DO輸出到外部微處理器；

OPP,OPN,OPO(5，4，3)：分別對應FS511內部集成的運算放大器的正輸入、負輸入和運算放大器輸出。外部模擬信號通過(guò)OPP、OPN以差分輸入FS511，再從OPO單端輸出。通過(guò)在外部搭建電路實(shí)現不同倍數的信號放大；

VRL,VRH(6，8)：內部ADC模塊的正、負參考電壓，由其內部集成電源供電(1 V)，也可由外部電路供電；

FTE,FTC(1，2)：內部集成的低通濾波器正、負端輸出，并聯(lián)一只27 nF的電容；

SGND(7)：信號地，其內部集成的電源供電為0.5 V)，也可由外電路供電；

AGND(9)：模擬地，當內部寄存器ENVS置1時(shí)，AGND=2.5 V；

VS(10)：內部電壓源，當內部寄存器ENVS置1時(shí)，VS與VDD相連。

3 工作原理

FS511的內部工作原理圖如圖2所示。該器件主要由△-∑ADC、運算放大器、低通濾波器、數字濾波器四部分組成?！?∑ADC實(shí)現A／D轉換，有正負兩個(gè)輸入端，參考電壓可選用外部或內部電源。當SVR0=1時(shí)，選用內部參考電壓，當VDD=5 V時(shí)，VRH-VRL=1 V；當SVR0=0時(shí)，選用外部參考電壓。當外部輸入信號較小時(shí)，應通過(guò)運算放大器放大，使其接近△-∑ADC的參考電壓，提高轉換精度。當要求高精度時(shí)，需配置寄存器使輸入信號通過(guò)低通濾波器與數字濾波器進(jìn)行多次濾波。

圖2中，外部信號從OPP和OPN以差分形式輸入FS511，首先經(jīng)過(guò)運算放大器放大，再從OPO單端輸出。如果要求高精度，可配置SINH=00,低通濾波器輸入OPO，OPO輸出信號先進(jìn)行低通濾波器濾波，然后再進(jìn)入△-∑ADC進(jìn)行A／D轉換，轉換完成，通過(guò)數字濾波器進(jìn)一步濾波，最后輸出轉換結果(24位)。由于FS511對輸入信號A／D轉換，對其進(jìn)行了放大及多次濾波，所以可獲得高達18位的轉換精度。

4應用電路

圖3所示是FS511的應用電路，該電路為一數據采集系統，可實(shí)現：力傳感器采集力信號并轉換為電壓信號。然后通過(guò)FS511模數轉換，并把結果通過(guò)FS511的D0引腳傳輸至C8051F330單片機做進(jìn)一步處理，最后通過(guò)串口送人PC機顯示轉換結果。

本應用系統，FS511選用5 V供電，配置ENVS=1，使得VS=VDD=5 V?！?∑ADC選用外部參考電壓，VRH-VRL=1 V，VS向力傳感器(滿(mǎn)量程信號靈敏度為2 mV／V)可提供5 V電壓，則力傳感器輸出信號(SENA-SENB)范圍為0 mV～10 mV，此信號遠遠小于△-∑ADC的參考電壓1 V，為獲得高轉換精度，則應放大傳感器輸出信號，使其接近參考力電壓1 V。力傳感器輸出信號SENA、SENB以差分形式輸入FS511，經(jīng)運算放大器放大100倍后再從OPO單端輸出，此時(shí)OPO輸出信號(即△-∑ADC的正端輸入信號)的變化范圍為0 V～1 V，接近于△-∑ ADC的參考電壓為1 V，從而使其能夠高精度轉換。

FS511轉換后，轉換結果由D0端口送人單片機C8051F330，采用SPI總線(xiàn)方式傳輸數據，按照FS511的時(shí)序圖進(jìn)行軟件編程即可實(shí)現。FS511的時(shí)序圖參考FS511數據資料。經(jīng)實(shí)驗驗證，本應用系統的測力精度高達0.01％。

5 結束語(yǔ)

模數轉換器FS511具有高精度、低功耗、高性?xún)r(jià)比，適用于要求精度高的應用中。