基于ＦＳ５１１的稱重電路設(shè)計

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)計中最重要的環(huán)節(jié)。本文介紹了富晶半導體股份有限公司推出的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片F(xiàn)S511，對其主要性能參數(shù)、工作原理和引腳功能進行了詳細說明，給出了FS511的實際應(yīng)用電路。使用該電路設(shè)計的稱重裝置，通過測試使用，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)品的一個重要發(fā)展方向， 就是從靜態(tài)稱重向快速稱重、低速動態(tài)稱重和動態(tài)稱重方向發(fā)展， 應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。因此對稱重傳感器除準確度高， 穩(wěn)定性好， 工作壽命長等要求更高。當前稱重系統(tǒng)采用多為應(yīng)變式傳感器，一個好的電子稱重系統(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問題。

1FS511的主要特點

FS511是富晶半導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18位精度的ΔΣADC，除ΔΣ ADC以外，其內(nèi)部還集成了運算放大器OPAMP、低通濾波器、數(shù)字濾波器，可對輸入信號進行多次濾波處理，實現(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)自己需要對它們進行不同的配置，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，傳感器測量裝置，高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

FS511的主要特點：

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（括號中為引腳號）：

VDD（12）：模擬電源正極。需與一個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用一個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)字地同時用一個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，同時在晶振兩端并接一1M電阻。通過芯片內(nèi)部的時鐘電路可得到83.33KHz的時鐘信號，作為內(nèi)部ΔΣ ADC的轉(zhuǎn)換頻率。

/CS，SK，DI，DO/IRQO(20，19，18，17):這四個管腳模擬SPI總線與微處理器進行數(shù)據(jù)傳輸。/CS為片選，低電平有效；SK為SPI時鐘輸入，可由外部輸入時鐘信號或者通過微處理器模擬一時鐘信號；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)輸出或中斷請求輸出，當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) :這三個管腳分別對應(yīng)FS511內(nèi)部集成的運算放大器OPAMP的正端輸入，負端輸入及運放輸出。外部模擬信號通過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娐穼崿F(xiàn)不同倍數(shù)的信號放大；

VRL，VRH (6，8)：芯片內(nèi)部ADC模塊的正負參考電壓，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端輸出，其間并聯(lián)一27nF電容；

SGND（7）：信號地，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，當芯片內(nèi)部寄存器ENVS置1時，AGND=2.5V；

VS（10）：內(nèi)部電壓源，當芯片內(nèi)部寄存器ENVS置1時，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，運算放大器OPAMP、低通濾波器、數(shù)字濾波器4部分組成。ΔΣ ADC實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換，有正負兩個輸入端，參考電壓可選用外部或內(nèi)部。當SVR0=1時，選用內(nèi)部參考電壓，當供電VDD=5V時，VRH-VRL=1V; 當SVR0=0時，選用外部參考電壓，可在外部搭建電路得到。當外部輸入信號較小時，應(yīng)使其通過OPAMP進行放大，接近ΔΣ ADC的參考電壓，從而提高轉(zhuǎn)換精度。另外，當精度要求較高時，還應(yīng)配置寄存器使輸入信號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輸出信號先進入低通濾波器進行濾波處理，然后才進入ΔΣ ADC進行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢再通過數(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芯片對輸入信號進行AD轉(zhuǎn)換前后，對其進行了放大及多次濾波處理，所以可達到很高的轉(zhuǎn)換精度，高達18位。

4 應(yīng)用電路

圖3所示是利用FS511進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的實際應(yīng)用，該電路為一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要實現(xiàn)以下功能：力傳感器采集力信號并轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后通過FS511進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把結(jié)果通過芯片的D0管腳傳入C8051F330單片機做進一步處理，最后再通過串口送入PC機顯示結(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（滿量程信號靈敏度為2mV/V）供5V電，則力傳感器輸出信號（SENA-SENB）變化范圍為0--10mV，此信號遠遠小于ΔΣ ADC的參考電壓1V，為了達到高的轉(zhuǎn)換精度，則應(yīng)對傳感器輸出信號進行放大，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OPO輸出信號（即ΔΣ ADC的正端輸入信號）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C8051F330，數(shù)據(jù)傳送采用SPI總線傳送方式，參照時序圖進行軟件編程即可實現(xiàn)。時序圖可參考FS511芯片資料。

經(jīng)實驗驗證，運用FS511芯片后，測力精度高達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、功耗低以及信號穩(wěn)定等優(yōu)點，使用改芯片設(shè)計稱重裝置和電子衡器是合適的，同時也具備較高的性價比。

參考文獻

[1]FS511 products Data Sheet.

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.國外電子元器件.2004.

[3]C8051F330 Data Book.

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

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