基于TLC549数字电压表的设计

　　引言

　　传统的A/D转换器主要有ADC0808、ADC0809等，这些A/D转换器采用并口与单片机相连，大量占用单片机的I/O口资源。为此，采用TLC549设计的数字电压表，能够较好地解决以上问题。

　　TLC549是TI公司推出的一种A/D转换器，具有以下特点：

　　（1）TLC549是一种8位串行A/D转换器；

　　（2）可通过三线串行通信与单片机连接；

　　（3）具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路；

　　（4）转换时间最长17μs；

　　（5）允许的最高转换速率为40000次/s；

　　（6）总失调误差最大为±0.5LSB；

　　（7）典型功耗值为6mW；

　　（8）采用差分参考电压高阻输入，抗干扰能力强，可按比例量程校准转换范围；

　　（9）当VREF－接地，VREF+－VREF－≥1V，可用于较小信号的采样。

　　1、TLC549的引脚排列与使用方法

　　TLC549的引脚排列如图一所示，其中ANALOGIN为模拟输入端，CS为片选端，DATAOUT为A/D转换结果的串行输出端，I/OCLOCK为I/O时钟端，REF+为正基准电压端，REF－为负基准电压端，VCC为电源端，GND为地。

　　

　　图一TLC549引脚图

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　　TLC549的内部结构图如图二所示，其内部包含有时钟电路、8位模数转换器等单元电路。

　　

　　图二TLC549内部结构图

　　TLC549的极限参数为：

　　（1）电源电压：6.5V；

　　（2）输入电压范围：0.3V～VCC+0.3V；

　　（3）输出电压范围：0.3V～VCC+0.3V；

　　（4）峰值输入电流（任一输入端）：±10mA；

　　（5）总峰值输入电流（所有输入端）：±30mA；

　　（6）工作温度：0℃～70℃。

　　TLC549具有片内系统时钟，该时钟与I/OCLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配，其工作时序如图三所示。

　　当片选端为高时，数据输出端（DATAOUT）处于高阻状态，此时I/OCLOCK不起作用。这种控制作用允许在同时使用多片TLC549时，共用I/OCLOCK，以减少多路（片）A/D并用时的I/O控制端口的数量，节省I/O口资源。

　

　　图三TLC549时序图

　　从图三中可以看出，当CS变为低电平后，TLC549芯片被选中，同时前次转换结果的最高有效位MSB（A7）自DATAOUT端输出。接着要求自I/OCLOCK端输入8个外部时钟信号，前7个I/OCLOCK信号的作用是配合TLC549输出前次转换结果的A6～A0的7位，并为本次转换做准备。在第4个I/OCLOCK信号由高至低的跳变之后，片内采样/保持电路对输入模拟量采样开始，第8个I/OCLOCK信号的下降沿使片内采样/保持电路进入保持状态并启动A/D转换。

　　转换时间为36个系统时间周期，最大为17us。直到A/D转换完成前的这段时间内，TLC549的控制逻辑要求或者保持高电平，或者I/OCLOCK时钟端保持36个系统时钟周期的低电平。

　　由此可见，在自TLC549的I/OCLOCK端输入8个外部时钟信号期间需要完成以下工作：读入前次A/D转换结果，对本次转换的输入模拟信号采样并保持，启动本次A/D转换。

　　2、硬件设计

　　图四给出了本系统的硬件框图，单片机采用AT89S51。AT89系列单片机是美国ATMEL公司继承INTEL公司80C31的核心技术并和自身先进的闪电存储器（FLASHMEMORY）技术相结合而产生的FLASH单片机系列。它是一种低功耗、高性能、内含4K/8K字节闪电存储器、用CHMOS工艺制作的8位单片机。

　　

　　图四系统硬件框图

　　图五给出了TLC549与AT89S51单片机的管脚连接。其中单片机的P1.0口与TLC549的SDO端相连，P1.1与片选端相连，P1.2与SCLK相连，通过TLC549的AIN端对外进行电压测量。在仿真时，采用电位器来模拟外部电压的变化，REF+接5V，REF－接地。

　　

　　图五TLC549与51单片机连接图

　　数字电压表的显示采用普通的数码管动态扫描显示的方式，采用4位一体的数码管作为显示器件，每位数码管轮流点亮1ms，具有良好的视觉效果。单片机的P0口通过74LS245驱动数码管的8位数据端，单片机的P2口的低4位直接连接数码管的控制端进行点亮控制。

　　3、软件设计及仿真

　　TLC549的采集程序流程图如图六所示，注意时序必须严格按照TLC549的时序图进行设置，否则TLC549将不会正常工作。

　　

　　图六TLC549的采集程序流程图

　　TLC549转换子程序如下：

　　TLC549_AD：SETBTLC549_CS；置CS为高电平

　　CLRTLC549_SCK；清CLK

　　MOVR0，#00H；移位计数为零

　　CLRTLC549_CS；清CS

　　NOP

　　NOP

　　TLC549_AD_1：SETBTLC549_SCK；置位

　　CLK

　　MOVC，TLC549_SDO；接收数据位

　　RLCA

　　CLRTLC549_SCK；清SCK

　　INCR0

　　CJNER0，#8，TLC549_AD_1；8位数据是否采集完毕

　　SETBTLC549_CS

　　MOVTLC549_DATA，A

　　RET本系统的调试主要以软件为主，系统电路图的绘制和仿真采用的是Proteus软件，图七给出了数字电压表的测量电压值及数码管显示电压值。在仿真时，采用电位器来模拟测量端电压值的变化，如图七所示，此时的测量电压值为3.39985V，而数码管的显示值为3.393V，绝对误差为0.006V。当电位器中间端进行调整时，数码管的显示值也会随之变换，实现直流电压的测量功能。

　

　　图七数字电压表仿真图

　　4、结束语

　　本测量系统实用性强、结构简单、成本低、外接元件少。在实际应用中，工作性能稳定，测量电压准确，精度较高，系统功能、指标达到了预期要求。系统在硬件设计上充分考虑到了可扩展性，经过一定的添加或改造，很容易增加功能，如增加多片TLC549进行多路电压测量及显示等功能。