可編程精密數據采集系統(tǒng)TC534的性能特點及實現數據采集卡的設計

引言

數據采集常用的器件一般有：多路模擬開關，采樣和保持電路，A/D轉換器，D/A轉換器，分頻器，計數器/定時器，串行口等，這些器件都具有相對的獨立性，它們可以根據不同的使用要求組成不同的采集電路。作為普適性的器件，在結構較簡單系統(tǒng)中是實用的，也是比較經濟的。但隨著更高要求的數據采集系統(tǒng)，尤其是智能化裝置中的數據采集系統(tǒng)的發(fā)展，如果繼續(xù)采用一般的器件，就可能會造成整個系統(tǒng)無論是硬件電路，還是控制軟件，都較龐大，復雜，而且也可能引起系統(tǒng)可靠性，穩(wěn)定性，經濟性等方面的問題。

TC534是美國加恒公司研制的專配微處理器的可編程精密數據采集系統(tǒng)，可廣泛用于智能化測量系統(tǒng)及工業(yè)過程控制等領域。

* TC534的性能特點

1.TC534是集成了多路轉換器，精密A/D轉換器，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據采集系統(tǒng)，具有很高的性價比。TC534為4通道輸入芯片，能采集4路差動輸入的模擬信號，信號幅度最大為±4.2V。

2.集成的精密雙積分式A/D轉換器（其超量程位可達17位），其自動調零誤差，非線性誤差和翻轉誤差分別為0.005%FS，0.015%FS，0.03%FS（FS代表滿量程值），可完成高準確度的A/D轉換。

3.具有數據輸入，數據輸出，數據時鐘等3線的串行口和讀寫控制端，很容易實現與微機的連接。串行口中還包括輸入/輸出移位寄存器，CPU可通過相應的串行口進行編程，并可設定自動調零，正向積分的時間及轉換速率，以適應不同使用場合所需。

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

V+，COM管腳分別是A/D轉換器和DC/DC負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，自動調零電容CAZ，積分電阻RINT。CREF+，CREF-接基準電容的正負兩端。CH1+和CH1-—CH4+和CH4-是通道1—通道4的差動模擬信號正負輸入端。A1，A0為多路轉換器的通道地址線，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設定的自動調零及正向積分時間由該端輸入，并且設定值首先進入輸入移位寄存器的最低有效位。上電后經過初始化，即可隨時重新輸入或修改設定值。DOUT為串行數據輸出端，僅當R/ =1時輸出有效。DCLK為串行時鐘端，串行時鐘最高頻率為3MHz。當R/ =1（高電平）時，在每個時鐘的下降沿時刻，A/D轉換數據就從DOUT端輸出，并將下一位數據移至此端；當R/=0時，對應于每個時鐘的上升沿，設定值經端寫入TC534中。讀寫控制端R/=1時進行讀操作，反之為寫操作。為A/D轉換結束標志，每次A/D轉換結束之后，該端輸出一個負脈沖，可向μP申請中斷，實現讀操作。R為復位端，上電時應使R=1，A/D轉換器進入自動調零階段；R=0時允許A/D轉換。利用上電復位電路（或μP）發(fā)出復位信號。在改變多路轉換器地址線時，μP也應產生復位信號，使A/D轉換暫停。此外，在發(fā)出加信號時必須令R=1，以免出現錯誤信息。

2.工作原理

從圖中可以看到，TC534主要包括5部分：

1）多路轉換器。由多路模擬開關構成。改變地址碼A1，A0，就可選擇不同的通道。使用中常采用差動輸入的形式，如需改成單端輸入時，應將CH1-—CH4-端接到COM端。

2）雙積分A/D轉換器。TC534采用的是雙積分A/D轉換器，內含緩沖器，積分器和比較器。每個轉換周期分4個階段進行，即自動調零（AZ），正向積分（INT），反向積分（DE），積分器調零（IZ）。

3）狀態(tài)邏輯控制器及振蕩分頻器。此部分能夠根據比較器輸出的電壓大小及其極性，適時地發(fā)出控制信號A，B，以保證A/D轉換按規(guī)矩順序與編程要求來進行。控制器里還有定時器（可預置時基計數器），用來接收串行口送來的設定值。振蕩器外接來自2MHz石英晶體的時鐘頻率，再通過4分頻作為內部的時基，對A/D轉換進行定時。

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負電源變換器。為將正壓直流輸入變?yōu)樨搲褐绷鬏敵龅牟糠?，利用振蕩器，模擬開關和泵電容來實現電壓極性轉換。

* TC534精密數據采集系統(tǒng)

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

如圖所示，作為中斷信號接到微處理器的端，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，由于C1兩端的壓降不可能發(fā)生突變，使得R端產生一個正向脈沖，將TC534復位（若C1=0.01μF，能產生脈沖寬度為100ms的復位信號）。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?；鶞孰妷菏怯蒚C04提供的1.25V的基準電壓源，經多圈電位器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，應選RINT≥50kΩ。當滿量程電壓為2V時，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

實際使用時可采用0.33μF的聚丙烯電容。

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

A/D轉換速率（MR/（次/s））： 》7 2～7 《2

CREF和CAZ的容量（μF）： 0.1 0.22 0.47

責任編輯：gt