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；
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電容并聯數字地；
VSS(13)：數字地；
XTAL0，XTAU(15，16)：連接4 MHz晶體振蕩器，同時在晶體振蕩器兩端并聯一只1 MΩ電阻。通過內部時鐘電路得到83.33 KHz的時鐘信號，作為內部△一∑ ADC的轉換頻率。

CS，Stock，DI，DO／IROO(20，19，18，17)：模擬SPI總線與微處理器傳輸數據。CS為片選，低電平有效；Stock為SPI時鐘輸入，可由外部輸入時鐘信號或通過微處理器模擬時鐘信號；DI為SH數據輸入，外部微處理器通過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OPP、OPN以差分輸入FS511，再從OPO單端輸出。通過在外部搭建電路實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，AGND=2.5 V；

VS(10)：內部電壓源，當內部寄存器ENVS置1時，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實現A／D轉換，有正負兩個輸入端，參考電壓可選用外部或內部電源。當SVR0=1時，選用內部參考電壓，當VDD=5 V時，VRH-VRL=1 V；當SVR0=0時，選用外部參考電壓。當外部輸入信號較小時，應通過運算放大器放大，使其接近△-∑ADC的參考電壓，提高轉換精度。當要求高精度時，需配置寄存器使輸入信號通過低通濾波器與數字濾波器進行多次濾波。

圖2中，外部信號從OPP和OPN以差分形式輸入FS511，首先經過運算放大器放大，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輸出信號先進行低通濾波器濾波，然后再進入△-∑ADC進行A／D轉換，轉換完成，通過數字濾波器進一步濾波，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，可實現：力傳感器采集力信號并轉換為電壓信號。然后通過FS511模數轉換，并把結果通過FS511的D0引腳傳輸至C8051F330單片機做進一步處理，最后通過串口送人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，經運算放大器放大100倍后再從OPO單端輸出，此時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總線方式傳輸數據，按照FS511的時序圖進行軟件編程即可實現。FS511的時序圖參考FS511數據資料。經實驗驗證，本應用系統的測力精度高達0.01％。

5 結束語

模數轉換器FS511具有高精度、低功耗、高性價比，適用于要求精度高的應用中。