18位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器FS511的原理和應(yīng)用

1概述

FS511是富晶半導(dǎo)體推出的一款高精度、低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)核是一個(gè)18位精度的△-∑ADC，除△-∑ADC外，其內(nèi)部還集成有運(yùn)算放大器、低通濾波器、數(shù)字濾波器，能對(duì)輸入信號(hào)多次濾波，實(shí)現(xiàn)高精度A／D轉(zhuǎn)換。在5 V工作電壓下，F(xiàn)S511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(nèi)部還設(shè)有多種控制寄存器，用戶(hù)可根據(jù)需要對(duì)其配置，從而得到不同的A／D轉(zhuǎn)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(cè)量裝置、高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(zhuǎn)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(yùn)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(shù)字電源正極。連接一只0.1μF電容旁路至數(shù)字地，并用一只10μF電容并聯(lián)數(shù)字地；
VSS(13)：數(shù)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(nèi)部時(shí)鐘電路得到83.33 KHz的時(shí)鐘信號(hào)，作為內(nèi)部△一∑ ADC的轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)。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(hào)或通過(guò)微處理器模擬時(shí)鐘信號(hào)；DI為SH數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)輸出或中斷請(qǐng)求輸出，當(dāng)FS511完成A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)DO輸出到外部微處理器；

OPP,OPN,OPO(5，4，3)：分別對(duì)應(yīng)FS511內(nèi)部集成的運(yùn)算放大器的正輸入、負(fù)輸入和運(yùn)算放大器輸出。外部模擬信號(hào)通過(guò)OPP、OPN以差分輸入FS511，再?gòu)腛PO單端輸出。通過(guò)在外部搭建電路實(shí)現(xiàn)不同倍數(shù)的信號(hào)放大；

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

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

SGND(7)：信號(hào)地，其內(nèi)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(dāng)內(nèi)部寄存器ENVS置1時(shí)，AGND=2.5 V；

VS(10)：內(nèi)部電壓源，當(dāng)內(nèi)部寄存器ENVS置1時(shí)，VS與VDD相連。

3 工作原理

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

圖2中，外部信號(hào)從OPP和OPN以差分形式輸入FS511，首先經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大，再?gòu)腛PO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(hào)先進(jìn)行低通濾波器濾波，然后再進(jìn)入△-∑ADC進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成，通過(guò)數(shù)字濾波器進(jìn)一步濾波，最后輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果(24位)。由于FS511對(duì)輸入信號(hào)A／D轉(zhuǎn)換，對(duì)其進(jìn)行了放大及多次濾波，所以可獲得高達(dá)18位的轉(zhuǎn)換精度。

4應(yīng)用電路

圖3所示是FS511的應(yīng)用電路，該電路為一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)：力傳感器采集力信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。然后通過(guò)FS511模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把結(jié)果通過(guò)FS511的D0引腳傳輸至C8051F330單片機(jī)做進(jìn)一步處理，最后通過(guò)串口送人PC機(jī)顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果。

本應(yīng)用系統(tǒng)，F(xiàn)S511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(hào)靈敏度為2 mV／V)可提供5 V電壓，則力傳感器輸出信號(hào)(SENA-SENB)范圍為0 mV～10 mV，此信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于△-∑ADC的參考電壓1 V，為獲得高轉(zhuǎn)換精度，則應(yīng)放大傳感器輸出信號(hào)，使其接近參考力電壓1 V。力傳感器輸出信號(hào)SENA、SENB以差分形式輸入FS511，經(jīng)運(yùn)算放大器放大100倍后再?gòu)腛PO單端輸出，此時(shí)OPO輸出信號(hào)(即△-∑ADC的正端輸入信號(hào))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(zhuǎn)換。

FS511轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換結(jié)果由D0端口送人單片機(jī)C8051F330，采用SPI總線(xiàn)方式傳輸數(shù)據(jù)，按照FS511的時(shí)序圖進(jìn)行軟件編程即可實(shí)現(xiàn)。FS511的時(shí)序圖參考FS511數(shù)據(jù)資料。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本應(yīng)用系統(tǒng)的測(cè)力精度高達(dá)0.01％。

5 結(jié)束語(yǔ)

模數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)用中。