基于TC534的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

    摘要：TC534是美國(guó)加恒公司研制的專配微處理器的可編程精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可廣泛用于智能化測(cè)量系統(tǒng)及工業(yè)過程控制等領(lǐng)域。它集成了多路轉(zhuǎn)換器，精密A/D轉(zhuǎn)換器，狀態(tài)邏輯控制器，振蕩分頻器，串行口等，具有很高的性價(jià)比，可靠性和穩(wěn)定性好，使用方便。

    關(guān)鍵詞：TC534，數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)

引言

數(shù)據(jù)采集常用的器件一般有：多路模擬開關(guān)，采樣和保持電路，A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器，分頻器，計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，串行口等，這些器件都具有相對(duì)的獨(dú)立性，它們可以根據(jù)不同的使用要求組成不同的采集電路。作為普適性的器件，在結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單系統(tǒng)中是實(shí)用的，也是比較經(jīng)濟(jì)的。但隨著更高要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，尤其是智能化裝置中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展，如果繼續(xù)采用一般的器件，就可能會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)無論是硬件電路，還是控制軟件，都較龐大，復(fù)雜，而且也可能引起系統(tǒng)可靠性，穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)性等方面的問題。

TC534是美國(guó)加恒公司研制的專配微處理器的可編程精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可廣泛用于智能化測(cè)量系統(tǒng)及工業(yè)過程控制等領(lǐng)域。

* TC534的性能特點(diǎn)

1.TC534是集成了多路轉(zhuǎn)換器，精密A/D轉(zhuǎn)換器，狀態(tài)邏輯控制器，振蕩分頻器，串行口等部分的大規(guī)模集成電路形式的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有很高的性價(jià)比。TC534為4通道輸入芯片，能采集4路差動(dòng)輸入的模擬信號(hào)，信號(hào)幅度最大為±4.2V。

2.集成的精密雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器（其超量程位可達(dá)17位），其自動(dòng)調(diào)零誤差，非線性誤差和翻轉(zhuǎn)誤差分別為0.005%FS，0.015%FS，0.03%FS(FS代表滿量程值)，可完成高準(zhǔn)確度的A/D轉(zhuǎn)換。

3.具有數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)時(shí)鐘等3線的串行口和讀寫控制端，很容易實(shí)現(xiàn)與微機(jī)的連接。串行口中還包括輸入/輸出移位寄存器，CPU可通過相應(yīng)的串行口進(jìn)行編程，并可設(shè)定自動(dòng)調(diào)零，正向積分的時(shí)間及轉(zhuǎn)換速率，以適應(yīng)不同使用場(chǎng)合所需。

4.具有自動(dòng)轉(zhuǎn)換極性(POL)，超量程檢測(cè)(OVR)功能。利用片內(nèi)高效DC/DC電源轉(zhuǎn)換器能獲得-5V電源，除了提供內(nèi)部多路轉(zhuǎn)換器使用外，還可輸出10mA電流，供外部電路（如運(yùn)算放大器，模擬開關(guān)等）使用。

5.低功耗。采用+5V單電源供電，最大工作電流僅5mA，功耗不超過25mW。

* TC534工作原理

1.管腳功能

TC534采用的是DIP—40封裝方式，其管腳排列如下圖。

圖

    V+,COM管腳分別是A/D轉(zhuǎn)換器和DC/DC負(fù)電源變換器的正電源端和模擬地。V-,AGND,OSC管腳依次為DC/DC負(fù)電源變換器的-5V輸出端，模擬地，外接振蕩電容端。AGND可與COM連通。CAP+,CAP-接充電泵電容的正負(fù)兩極。Vcc和DGND管腳分別為串行口的正電源端和接地端。通常Vcc接V+，DGND接μP的地端。CINT,CAZ,BUF分別接積分電容CINT，自動(dòng)調(diào)零電容CAZ，積分電阻RINT。CREF+,CREF-接基準(zhǔn)電容的正負(fù)兩端。CH1+和CH1-—CH4+和CH4-是通道1—通道4的差動(dòng)模擬信號(hào)正負(fù)輸入端。A1,A0為多路轉(zhuǎn)換器的通道地址線，其中A0為低位地址線。OSC1,OSC0是外接2MHz石英晶體端。DIN是串行輸入端，由μP設(shè)定的自動(dòng)調(diào)零及正向積分時(shí)間由該端輸入，并且設(shè)定值首先進(jìn)入輸入移位寄存器的最低有效位。上電后經(jīng)過初始化，即可隨時(shí)重新輸入或修改設(shè)定值。DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出端，僅當(dāng)R/ =1時(shí)輸出有效。DCLK為串行時(shí)鐘端，串行時(shí)鐘最高頻率為3MHz。當(dāng)R/ =1（高電平）時(shí)，在每個(gè)時(shí)鐘的下降沿時(shí)刻，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)就從DOUT端輸出，并將下一位數(shù)據(jù)移至此端；當(dāng)R/=0時(shí)，對(duì)應(yīng)于每個(gè)時(shí)鐘的上升沿，設(shè)定值經(jīng)端寫入TC534中。讀寫控制端R/=1時(shí)進(jìn)行讀操作，反之為寫操作。為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束之后，該端輸出一個(gè)負(fù)脈沖，可向μP申請(qǐng)中斷，實(shí)現(xiàn)讀操作。R為復(fù)位端，上電時(shí)應(yīng)使R=1，A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入自動(dòng)調(diào)零階段；R=0時(shí)允許A/D轉(zhuǎn)換。利用上電復(fù)位電路（或μP）發(fā)出復(fù)位信號(hào)。在改變多路轉(zhuǎn)換器地址線時(shí)，μP也應(yīng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使A/D轉(zhuǎn)換暫停。此外，在發(fā)出加信號(hào)時(shí)必須令R=1，以免出現(xiàn)錯(cuò)誤信息。

2.工作原理

TC534的原理框圖如圖。

TC534原理圖

從圖中可以看到，TC534主要包括5部分：

1)多路轉(zhuǎn)換器。由多路模擬開關(guān)構(gòu)成。改變地址碼A1,A0，就可選擇不同的通道。使用中常采用差動(dòng)輸入的形式，如需改成單端輸入時(shí)，應(yīng)將CH1-—CH4-端接到COM端。

2)雙積分A/D轉(zhuǎn)換器。TC534采用的是雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)含緩沖器，積分器和比較器。每個(gè)轉(zhuǎn)換周期分4個(gè)階段進(jìn)行，即自動(dòng)調(diào)零（AZ），正向積分(INT)，反向積分(DE)，積分器調(diào)零(IZ)。

3)狀態(tài)邏輯控制器及振蕩分頻器。此部分能夠根據(jù)比較器輸出的電壓大小及其極性，適時(shí)地發(fā)出控制信號(hào)A,B，以保證A/D轉(zhuǎn)換按規(guī)矩順序與編程要求來進(jìn)行?？刂破骼镞€有定時(shí)器（可預(yù)置時(shí)基計(jì)數(shù)器），用來接收串行口送來的設(shè)定值。振蕩器外接來自2MHz石英晶體的時(shí)鐘頻率，再通過4分頻作為內(nèi)部的時(shí)基，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行定時(shí)。

4)串行口。串行口中包括串行輸入和串行輸出移位寄存器。

5)DC/DC負(fù)電源變換器。為將正壓直流輸入變?yōu)樨?fù)壓直流輸出的部分，利用振蕩器，模擬開關(guān)和泵電容來實(shí)現(xiàn)電壓極性轉(zhuǎn)換。

* TC534精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

TC534芯片與微處理器連接構(gòu)成基本的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的原理如圖所示。

TC534的典型應(yīng)用

如圖所示，作為中斷信號(hào)接到微處理器的端，再將串行口的R/，DOUT，DIN和DCLK端分別接到微處理器的I/O1—I/O4端。剛上電時(shí)，由于C1兩端的壓降不可能發(fā)生突變，使得R端產(chǎn)生一個(gè)正向脈沖，將TC534復(fù)位（若C1=0.01μF，能產(chǎn)生脈沖寬度為100ms的復(fù)位信號(hào)）。2MHz石英晶體JT接在OSC1，OSC0之間。C2，C3是-5V電源發(fā)生器的充電泵電容。基準(zhǔn)電壓是由TC04提供的1.25V的基準(zhǔn)電壓源，經(jīng)多圈電位器RP分壓后得到。R為限流電阻。

積分器最大輸出電流為20μA，所以積分電阻RINT的值為：

RINT=VM/IINT=VM/(20×10-6) ........................(1)

為了保證積分器工作的穩(wěn)定性，應(yīng)選RINT≥50kΩ。當(dāng)滿量程電壓為2V時(shí)，RINT=100 kΩ。積分器的最大輸出電壓擺幅為V+≈0.9V，積分電容可由下式確定：

CINT=(20×10-6TINT)/(V+-0.9) ...........................(2)

以TINT=60ms，V+=5V代入(2)中，可得：CINT=0.29μF

實(shí)際使用時(shí)可采用0.33μF的聚丙烯電容。

CREF和CAZ的容量相等，并與A/D轉(zhuǎn)換的速率是相關(guān)的，CREF值越小，則轉(zhuǎn)換速率就越高，它們之間的關(guān)系可參考如下：

A/D轉(zhuǎn)換速率(MR/(次/s))： >7 2～7 <2

CREF和CAZ的容量（μF）： 0.1 0.22 0.47