基于ＦＳ５１１的稱重電路設計

摘要：電子稱重和電子衡器無所不在，精度和穩定性要求越來越高，其中稱重系統中的數據處理是電路設計中最重要的環節。本文介紹了富晶半導體股份有限公司推出的模數轉換芯片FS511，對其主要性能參數、工作原理和引腳功能進行了詳細說明，給出了FS511的實際應用電路。使用該電路設計的稱重裝置，通過測試使用，稱重精度較高，性能穩定可靠。

關鍵詞：FS511； ADC； 數據采集

近年來， 電子稱重技術和電子衡器產品的一個重要發展方向， 就是從靜態稱重向快速稱重、低速動態稱重和動態稱重方向發展， 應用領域不斷擴大。因此對稱重傳感器除準確度高， 穩定性好， 工作壽命長等要求更高。當前稱重系統采用多為應變式傳感器，一個好的電子稱重系統，除了選擇性能好的傳感器外，處理電路的設計至關重要，而最重要的是數據處理環節。本文采用的FS511數據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轉換芯片。該芯片內核是一個18位精度的ΔΣADC，除ΔΣ ADC以外，其內部還集成了運算放大器OPAMP、低通濾波器、數字濾波器，可對輸入信號進行多次濾波處理，實現高精度AD轉換。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，芯片內部設有多種控制寄存器，用戶可根據自己需要對它們進行不同的配置，從而得到不同的AD轉化頻率、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，高精度數據采集系統。

FS511的主要特點：

1)ΔΣ ADC，18位轉換精度，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的電容并聯到模擬地；

VSSA（11）：模擬地；

VCC(14):數字電源正端。該腳也應用一0.1?F電容旁路到數字地同時用一個10?F的電容并聯到數字地；

VSS(13):數字地；

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

/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據傳輸。/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數據輸入，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數據輸出或中斷請求輸出，當FS511完成AD轉換后，轉換結果通過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FS511內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。可在外部搭建電路實現不同倍數的信號放大；

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

FTB，FTC(1，2): 芯片內部集成低通濾波器正負端輸出，其間并聯一27nF電容；

SGND（7）：信號地，可由芯片內部集成電源系統提供（0.5V），也可由外電路提供；

AGND（9）：模擬地，當芯片內部寄存器ENVS置1時，AGND=2.5V；

VS（10）：內部電壓源，當芯片內部寄存器ENVS置1時，VS與VDD接通。

3工作原理

圖2為FS511的內部工作原理圖。

該器件主要由ΔΣ ADC，運算放大器OPAMP、低通濾波器、數字濾波器4部分組成。ΔΣ ADC實現AD轉換，有正負兩個輸入端，參考電壓可選用外部或內部。當SVR0=1時，選用內部參考電壓，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，應使其通過OPAMP進行放大，接近ΔΣ ADC的參考電壓，從而提高轉換精度。另外，當精度要求較高時，還應配置寄存器使輸入信號通過低通濾波器與數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轉換，轉換完畢再通過數字濾波器進一步濾波，最后輸出轉換結果（24位）。由于FS511芯片對輸入信號進行AD轉換前后，對其進行了放大及多次濾波處理，所以可達到很高的轉換精度，高達18位。

4 應用電路

圖3所示是利用FS511進行模數轉換的實際應用，該電路為一數據采集系統，主要實現以下功能：力傳感器采集力信號并轉化為電壓信號，然后通過FS511進行模數轉換，并把結果通過芯片的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機顯示結果。

本系統中，FS511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，為了達到高的轉換精度，則應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換。

FS511轉換結束后，轉換結果由D0口送入單片機C8051F330，數據傳送采用SPI總線傳送方式，參照時序圖進行軟件編程即可實現。時序圖可參考FS511芯片資料。

經實驗驗證，運用FS511芯片后，測力精度高達0.01%。

5結束語。FS511作為模數轉換及處理芯片，具有精度高、功耗低以及信號穩定等優點，使用改芯片設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模數轉換芯片ADC10065的原理與應用.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年畢業于徐州煤校機電專業，現任安徽新園礦山設備制造有限責任公司副總經理，從事機電技術及管理工作。