18位高精度模数转换器FS511的原理和应用

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1概述
FS511是富晶半导体推出的一款高精度、低功耗模数转换器。其内核是一个18位精度的△-∑ADC，除△-∑ADC外，其内部还集成有运算放大器、低通滤波器、数字滤波器，能对输入信号多次滤波，实现高精度A／D转换。在5 V工作电压下，FS511耗电仅为1.2 mA。该器件采用SPI总线与外部微处理器接口。另外，内部还设有多种控制寄存器，用户可根据需要对其配置，从而得到不同的A／D转换频率、输出速率、A／D精度等。
FS511可广泛用于电子秤、传感器测量装置、高精度数据采集系统等。
2 FS511的主要特性及引脚功能
FS511的主要特性如下：
△ -∑ADC，18位转换精度，10 Hz输出速率(可编程)；
线性误差：+0.005％；
工作电压范围：4.5 V～6 V；
4 MHz晶体振荡器；
工作电流小于1.2 mA，睡眠模式电流约为1 μA；
与微处理器接口采用SPI总线；
低噪声运算放大器。
FS511采用20引脚DIP或SOP封装，其引脚排列如图1所示，各引脚功能如下：


VDD(12)：模拟电源正极。与5 V直流电源相连，连接一只0.1 μF电容旁路至模拟地，并用一只10μF的电容并联至模拟地；
VSSA(11)：模拟地；
VCC(14)：数字电源正极。连接一只0.1μF电容旁路至数字地，并用一只10μF电容并联数字地；
VSS(13)：数字地；
XTAL0，XTAU(15，16)：连接4 MHz晶体振荡器，同时在晶体振荡器两端并联一只1 MΩ电阻。通过内部时钟电路得到83.33 KHz的时钟信号，作为内部△一∑ ADC的转换频率。
CS，Stock，DI，DO／IROO(20，19，18，17)：模拟SPI总线与微处理器传输数据。CS为片选，低电平有效；Stock为SPI时钟输入，可由外部输入时钟信号或通过微处理器模拟时钟信号；DI为SH数据输入，外部微处理器通过DI端口向FS511输入初始化命令；DO／IRQO为SPI数据输出或中断请求输出，当FS511完成A／D转换，转换结果通过DO输出到外部微处理器；
OPP,OPN,OPO(5，4，3)：分别对应FS511内部集成的运算放大器的正输入、负输入和运算放大器输出。外部模拟信号通过OPP、OPN以差分输入FS511，再从OPO单端输出。通过在外部搭建电路实现不同倍数的信号放大；
VRL,VRH(6，8)：内部ADC模块的正、负参考电压，由其内部集成电源供电(1 V)，也可由外部电路供电；
FTE,FTC(1，2)：内部集成的低通滤波器正、负端输出，并联一只27 nF的电容；
SGND(7)：信号地，其内部集成的电源供电为0.5 V)，也可由外电路供电；
AGND(9)：模拟地，当内部寄存器ENVS置1时，AGND=2.5 V；
VS(10)：内部电压源，当内部寄存器ENVS置1时，VS与VDD相连。
3 工作原理
FS511的内部工作原理图如图2所示。该器件主要由△-∑ADC、运算放大器、低通滤波器、数字滤波器四部分组成。△-∑ADC实现A／D转换，有正负两个输入端，参考电压可选用外部或内部电源。当SVR0=1时，选用内部参考电压，当VDD=5 V时，VRH-VRL=1 V；当SVR0=0时，选用外部参考电压。当外部输入信号较小时，应通过运算放大器放大，使其接近△-∑ADC的参考电压，提高转换精度。当要求高精度时，需配置寄存器使输入信号通过低通滤波器与数字滤波器进行多次滤波。
图2中，外部信号从OPP和OPN以差分形式输入FS511，首先经过运算放大器放大，再从OPO单端输出。如果要求高精度，可配置SINH=00,低通滤波器输入OPO，OPO输出信号先进行低通滤波器滤波，然后再进入△-∑ADC进行A／D转换，转换完成，通过数字滤波器进一步滤波，最后输出转换结果(24位)。由于FS511对输入信号A／D转换，对其进行了放大及多次滤波，所以可获得高达18位的转换精度。


4应用电路
图3所示是FS511的应用电路，该电路为一数据采集系统，可实现：力传感器采集力信号并转换为电压信号。然后通过FS511模数转换，并把结果通过FS511的D0引脚传输至C8051F330单片机做进一步处理，最后通过串口送人PC机显示转换结果。


本应用系统，FS511选用5 V供电，配置ENVS=1，使得VS=VDD=5 V。△-∑ADC选用外部参考电压，VRH-VRL=1 V，VS向力传感器(满量程信号灵敏度为2 mV／V)可提供5 V电压，则力传感器输出信号(SENA-SENB)范围为0 mV～10 mV，此信号远远小于△-∑ADC的参考电压1 V，为获得高转换精度，则应放大传感器输出信号，使其接近参考力电压1 V。力传感器输出信号SENA、SENB以差分形式输入FS511，经运算放大器放大100倍后再从OPO单端输出，此时OPO输出信号(即△-∑ADC的正端输入信号)的变化范围为0 V～1 V，接近于△-∑ ADC的参考电压为1 V，从而使其能够高精度转换。
FS511转换后，转换结果由D0端口送人单片机C8051F330，采用SPI总线方式传输数据，按照FS511的时序图进行软件编程即可实现。FS511的时序图参考FS511数据资料。经实验验证，本应用系统的测力精度高达0.01％。
5 结束语
模数转换器FS511具有高精度、低功耗、高性价比，适用于要求精度高的应用中。