摘要：電子稱重和電子衡器無所不在，精度和穩(wěn)定性要求越來越高，其中稱重系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理是電路設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)。本文介紹了富晶半導(dǎo)體股份有限公司推出的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片F(xiàn)S511，對(duì)其主要性能參數(shù)、工作原理和引腳功能進(jìn)行了詳細(xì)說明，給出了FS511的實(shí)際應(yīng)用電路。使用該電路設(shè)計(jì)的稱重裝置，通過測(cè)試使用，稱重精度較高，性能穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：FS511； ADC； 數(shù)據(jù)采集

近年來， 電子稱重技術(shù)和電子衡器產(chǎn)品的一個(gè)重要發(fā)展方向， 就是從靜態(tài)稱重向快速稱重、低速動(dòng)態(tài)稱重和動(dòng)態(tài)稱重方向發(fā)展， 應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。因此對(duì)稱重傳感器除準(zhǔn)確度高， 穩(wěn)定性好， 工作壽命長(zhǎng)等要求更高。當(dāng)前稱重系統(tǒng)采用多為應(yīng)變式傳感器，一個(gè)好的電子稱重系統(tǒng)，除了選擇性能好的傳感器外，處理電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，而最重要的是數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。本文采用的FS511數(shù)據(jù)處理芯片能較好的解決這個(gè)問題。

1FS511的主要特點(diǎn)

FS511是富晶半導(dǎo)體股份有限公司推出的一款高精度低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片內(nèi)核是一個(gè)18位精度的ΔΣADC，除ΔΣ ADC以外，其內(nèi)部還集成了運(yùn)算放大器OPAMP、低通濾波器、數(shù)字濾波器，可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行多次濾波處理，實(shí)現(xiàn)高精度AD轉(zhuǎn)換。在5V工作電壓下，該芯片耗電僅為1.2mA，功耗小。該芯片與外部微處理器接口采用SPI總線。另外，芯片內(nèi)部設(shè)有多種控制寄存器，用戶可根據(jù)自己需要對(duì)它們進(jìn)行不同的配置，從而得到不同的AD轉(zhuǎn)化頻率、輸出速率、AD精度等。

該芯片可廣泛用于電子秤，傳感器測(cè)量裝置，高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

FS511的主要特點(diǎn)：

1)ΔΣ ADC，18位轉(zhuǎn)換精度，10HZ輸出速率（可編程）；2)線性誤差：±0.005%；3)工作電壓范圍：4.5V-6V；4)4MHz晶振；5)工作電流小于1.2mA，睡眠模式電流約為1uA；6)與微處理器接口采用SPI總線；7)低噪聲OPAMP；

2引腳功能

FS511采用20腳DIP或SOP封裝，其引腳排列如圖1所示，各引腳基本功能如下（括號(hào)中為引腳號(hào)）：

VDD（12）：模擬電源正極。需與一個(gè)5V直流電源（或者電池）相連并連接一0.1?F電容旁路到模擬地同時(shí)用一個(gè)10?F的電容并聯(lián)到模擬地；

VSSA（11）：模擬地；

VCC(14):數(shù)字電源正端。該腳也應(yīng)用一0.1?F電容旁路到數(shù)字地同時(shí)用一個(gè)10?F的電容并聯(lián)到數(shù)字地；

VSS(13):數(shù)字地；

XTALO，XTALI(15，16):連接4M晶振，同時(shí)在晶振兩端并接一1M電阻。通過芯片內(nèi)部的時(shí)鐘電路可得到83.33KHz的時(shí)鐘信號(hào)，作為內(nèi)部ΔΣ ADC的轉(zhuǎn)換頻率。

/CS，SK，DI，DO/IRQO(20，19，18，17):這四個(gè)管腳模擬SPI總線與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。/CS為片選，低電平有效；SK為SPI時(shí)鐘輸入，可由外部輸入時(shí)鐘信號(hào)或者通過微處理器模擬一時(shí)鐘信號(hào)；DI為SPI數(shù)據(jù)輸入，外部微處理器通過DI口給FS511芯片輸入初始化命令；DO/IRQO為SPI數(shù)據(jù)輸出或中斷請(qǐng)求輸出，當(dāng)FS511完成AD轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過DO輸出到外部微處理器；

OPP，OPN，OPO (5，4，3) :這三個(gè)管腳分別對(duì)應(yīng)FS511內(nèi)部集成的運(yùn)算放大器OPAMP的正端輸入，負(fù)端輸入及運(yùn)放輸出。外部模擬信號(hào)通過OPP，OPN兩管腳以差分形式輸入芯片，然后從OPO管腳單端輸出?？稍谕獠看罱娐穼?shí)現(xiàn)不同倍數(shù)的信號(hào)放大；

VRL，VRH (6，8)：芯片內(nèi)部ADC模塊的正負(fù)參考電壓，可由芯片內(nèi)部集成電源系統(tǒng)提供（1V），也可由外電路提供；

FTB，F(xiàn)TC(1，2): 芯片內(nèi)部集成低通濾波器正負(fù)端輸出，其間并聯(lián)一27nF電容；

SGND（7）：信號(hào)地，可由芯片內(nèi)部集成電源系統(tǒng)提供（0.5V），也可由外電路提供；

AGND（9）：模擬地，當(dāng)芯片內(nèi)部寄存器ENVS置1時(shí)，AGND=2.5V；

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

3工作原理

圖2為FS511的內(nèi)部工作原理圖。

該器件主要由ΔΣ ADC，運(yùn)算放大器OPAMP、低通濾波器、數(shù)字濾波器4部分組成。ΔΣ ADC實(shí)現(xiàn)AD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。當(dāng)SVR0=1時(shí)，選用內(nèi)部參考電壓，當(dāng)供電VDD=5V時(shí)，VRH-VRL=1V; 當(dāng)SVR0=0時(shí)，選用外部參考電壓，可在外部搭建電路得到。當(dāng)外部輸入信號(hào)較小時(shí)，應(yīng)使其通過OPAMP進(jìn)行放大，接近ΔΣ ADC的參考電壓，從而提高轉(zhuǎn)換精度。另外，當(dāng)精度要求較高時(shí)，還應(yīng)配置寄存器使輸入信號(hào)通過低通濾波器與數(shù)字濾波器的多次濾波處理。

在圖2中，外部微電信號(hào)從OPP，OPN口以差分形式輸入FS511芯片，首先經(jīng)過OPAMP的放大處理，然后從OPO口單端輸出，如果精度要求較高，可配置SINH=00，使低通濾波器輸入為OPO，則OPO輸出信號(hào)先進(jìn)入低通濾波器進(jìn)行濾波處理，然后才進(jìn)入ΔΣ ADC進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢再通過數(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芯片對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換前后，對(duì)其進(jìn)行了放大及多次濾波處理，所以可達(dá)到很高的轉(zhuǎn)換精度，高達(dá)18位。

4 應(yīng)用電路

圖3所示是利用FS511進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)際應(yīng)用，該電路為一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：力傳感器采集力信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后通過FS511進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把結(jié)果通過芯片的D0管腳傳入C8051F330單片機(jī)做進(jìn)一步處理，最后再通過串口送入PC機(jī)顯示結(jié)果。

本系統(tǒng)中，F(xiàn)S511選用5V供電，配置ENVS=1，使VS=VDD=5V。在本電路中，ΔΣ ADC選用外部參考電壓VRH-VRL=1V，VS給力傳感器（滿量程信號(hào)靈敏度為2mV/V）供5V電，則力傳感器輸出信號(hào)（SENA-SENB）變化范圍為0--10mV，此信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ΔΣ ADC的參考電壓1V，為了達(dá)到高的轉(zhuǎn)換精度，則應(yīng)對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大，使其接近參考力電壓1V。

在本電路中，力傳感器輸出信號(hào)SENA、SENB以差分形式輸入FS511，經(jīng)OPAMP放大100倍后從OPO口單端輸出，此時(shí)OPO輸出信號(hào)（即ΔΣ ADC的正端輸入信號(hào)）變化范圍為0-1V，接近于ΔΣ ADC的參考電壓1V，從而使其能夠進(jìn)行高精度轉(zhuǎn)換。

FS511轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)換結(jié)果由D0口送入單片機(jī)C8051F330，數(shù)據(jù)傳送采用SPI總線傳送方式，參照時(shí)序圖進(jìn)行軟件編程即可實(shí)現(xiàn)。時(shí)序圖可參考FS511芯片資料。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，運(yùn)用FS511芯片后，測(cè)力精度高達(dá)0.01%。

5結(jié)束語。FS511作為模數(shù)轉(zhuǎn)換及處理芯片，具有精度高、功耗低以及信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，使用改芯片設(shè)計(jì)稱重裝置和電子衡器是合適的，同時(shí)也具備較高的性價(jià)比。

參考文獻(xiàn)

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http://www.icpdf.com/pdf/FS511.htm，2006.

[2]尹小麗.10位65MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC10065的原理與應(yīng)用.國(guó)外電子元器件.2004.

[3]C8051F330 Data Book.

http://www.ic37.com/xinghao/C8051F330-R.htm，

作者簡(jiǎn)介：唐慶仁(1963-)，工程師，江蘇揚(yáng)州人，1983年畢業(yè)于徐州煤校機(jī)電專業(yè)，現(xiàn)任安徽新園礦山設(shè)備制造有限責(zé)任公司副總經(jīng)理，從事機(jī)電技術(shù)及管理工作。