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18位精度的△-∑ADC，除△-∑ADC外，其內(nèi)部還集成有運算放大器、低通濾波器、數(shù)字濾波器，能對輸入信號多次濾波，實現(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，用戶可根據(jù)需要對其配置，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：
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，同時在晶體振蕩器兩端并聯(lián)一只1 MΩ電阻。通過內(nèi)部時鐘電路得到83.33 KHz的時鐘信號，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總線與微處理器傳輸數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)輸出或中斷請求輸出，當FS511完成A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過DO輸出到外部微處理器；
OPP,OPN,OPO(5，4，3)：分別對應(yīng)FS511內(nèi)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(xiàn)不同倍數(shù)的信號放大；
VRL,VRH(6，8)：內(nèi)部ADC模塊的正、負參考電壓，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、負端輸出，并聯(lián)一只27 nF的電容；
SGND(7)：信號地，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，當內(nèi)部寄存器ENVS置1時，AGND=2.5 V；
VS(10)：內(nèi)部電壓源，當內(nèi)部寄存器ENVS置1時，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、運算放大器、低通濾波器、數(shù)字濾波器四部分組成?！?∑ADC實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，有正負兩個輸入端，參考電壓可選用外部或內(nèi)部電源。當SVR0=1時，選用內(nèi)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(yīng)通過運算放大器放大，使其接近△-∑ADC的參考電壓，提高轉(zhuǎn)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(shù)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(jīng)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(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成，通過數(shù)字濾波器進一步濾波，最后輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果(24位)。由于FS511對輸入信號A／D轉(zhuǎn)換，對其進行了放大及多次濾波，所以可獲得高達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)，可實現(xiàn)：力傳感器采集力信號并轉(zhuǎn)換為電壓信號。然后通過FS511模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把結(jié)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(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(zhuǎn)換精度，則應(yīng)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(zhuǎn)換。
FS511轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換結(jié)果由D0端口送人單片機C8051F330，采用SPI總線方式傳輸數(shù)據(jù)，按照FS511的時序圖進行軟件編程即可實現(xiàn)。FS511的時序圖參考FS511數(shù)據(jù)資料。經(jīng)實驗驗證，本應(yīng)用系統(tǒng)的測力精度高達0.01％。
5 結(jié)束語
模數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)用中。
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