基于TLC7135的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

高淑艷

（大慶高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心，黑龍江 大慶 163313）

1 數(shù)字電壓表的組成原理

數(shù)字電壓表（Digital Voltmeter，DVM）是利用模數(shù)（A／D）轉(zhuǎn)換原理，將被測(cè)電壓（模擬量）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將測(cè)量結(jié)果以數(shù)字形式顯示出來(lái)的一種電子測(cè)量?jī)x器。一臺(tái)典型的直流數(shù)字電壓表主要由輸入電路、A／D轉(zhuǎn)換器、控制邏輯電路、顯示器以及電源電路等幾部分組成，如圖1所示。輸入電路和A／D轉(zhuǎn)換器統(tǒng)稱為模擬電路部分，而顯示器和控制邏輯電路統(tǒng)稱為數(shù)字電路部分。因此，一臺(tái)數(shù)字電壓表除供電電源外，主要由數(shù)字和模擬兩部分構(gòu)成。

A／D轉(zhuǎn)換器是數(shù)字電壓表的核心，實(shí)現(xiàn)被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成與其成比例的數(shù)字量。由于電壓是一個(gè)最基本的電量，并且其他許多物理量都能方便地轉(zhuǎn)換成電壓，因此，電壓—數(shù)字轉(zhuǎn)換器是一種最基本、最常用的A／D轉(zhuǎn)換方式。由于電壓—數(shù)字轉(zhuǎn)換的原理和方案有很多種，相應(yīng)地也具有各種不同類型的數(shù)字電壓表。

圖1 直流數(shù)字電壓表的基本框圖

2 TLC7135簡(jiǎn)介

一個(gè)設(shè)計(jì)的成敗核心問(wèn)題就是主要器件的選用問(wèn)題。前面已經(jīng)提到的A／D轉(zhuǎn)換器是數(shù)字電壓表的核心，因此，A／D轉(zhuǎn)換器的選用非常重要。TLC7135工作時(shí)序如圖2所示。TLC7135是高精度4位CMOS雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器，提供±20000（相當(dāng)于14位A／D）轉(zhuǎn)換精度（±1）的計(jì)數(shù)分辨率。

擁有雙極性相對(duì)較高的高阻抗差動(dòng)輸入、自動(dòng)進(jìn)行調(diào)零、量程檢測(cè)及輸出為動(dòng)態(tài)掃描的BCD碼等功能。

圖2 TLC7135工作時(shí)序

TLC7135相對(duì)外圍電路提供6個(gè)控制信號(hào)，所以，除了具有數(shù)字電壓表的功能外，還可以和微處理器、非同步接收／發(fā)送器以及其它控制電路進(jìn)行連接使用。

位選掃描信號(hào)UNDERRANGE（欠量程時(shí)）自動(dòng)調(diào)零＋零積分（放電）10001個(gè)脈沖信號(hào)積分10000個(gè)脈沖OVE（超量程時(shí)）BUSY（狀態(tài)信號(hào)）完整測(cè)量40002個(gè)時(shí)鐘周期1000COUNTST2T1D5D4D3D2D1。TLC7135一次 A／D 轉(zhuǎn)換周期分為4個(gè)階段：自動(dòng)調(diào)零（AZ）、信號(hào)積分（INT）、基準(zhǔn)電壓反向積分（DE）和積分回零（ZI）。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

儀表以單片機(jī)為控制核心，采用TLC7135進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并通過(guò)LED顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

輸入信號(hào)通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)通路來(lái)選擇合適的量程轉(zhuǎn)換，然后將輸入信號(hào)輸入到A／D轉(zhuǎn)換電路中去，通過(guò)A／D輸出由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，最后通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)從數(shù)字量編碼轉(zhuǎn)換到七段譯碼，最后送到數(shù)碼管顯示輸出測(cè)量結(jié)果。

單片機(jī)選擇的是MCS－51系列。51系列是一種很經(jīng)典的單片機(jī)，具有較高的時(shí)鐘頻率和較大的存儲(chǔ)空間，并且還能采用嵌入式操作系統(tǒng)。這些都極大地提高了它的性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

TLC7135與單片機(jī)系統(tǒng)連接如圖4所示，如果采用TLC7135的并行采集方式，那么既要與BCD碼數(shù)據(jù)輸出線進(jìn)行連接，還要連接BCD碼數(shù)據(jù)的位驅(qū)動(dòng)信號(hào)，應(yīng)該有9根I／O串口線。所以，該系統(tǒng)在電路連接上較復(fù)雜，并且軟件編程也不簡(jiǎn)單。采用TLC7135串行方法則是經(jīng)過(guò)計(jì)錄數(shù)字脈沖的方式，進(jìn)行得到測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖4 TLC7135典型單元電路

由時(shí)序分析圖可以得到，在De－Integrate相位期間，數(shù)字脈沖數(shù)與模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果滿足對(duì)應(yīng)關(guān)系。可以通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器T0或定時(shí)器T1計(jì)錄數(shù)字脈沖的個(gè)數(shù)。由于定時(shí)器T0的時(shí)鐘頻率是該系統(tǒng)晶體振動(dòng)固有頻率的一半，所以，可以把單片機(jī)的ALE信號(hào)端子看作TLC7135數(shù)字脈沖的輸入。在進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)編程過(guò)程中，如果單片機(jī)的指令中沒(méi)有MOVX指令，ALE端子產(chǎn)生的脈沖頻率為固有晶體振動(dòng)頻率的1／6。最后，便可找到定時(shí)器所使用的頻率與單片機(jī)系統(tǒng)晶振頻率的關(guān)系，以及TLC7135所需的頻率輸入與單片機(jī)系統(tǒng)晶振頻率的關(guān)系。

如果使定時(shí)器T0所記錄的數(shù)字脈沖與TLC7135工作所需的脈沖個(gè)數(shù)完全相同，就可以把TLC7135的信號(hào)連接到單片機(jī)AT89S52的P3.2（INT0）引腳上，并且把單片機(jī)定時(shí)器T0對(duì)應(yīng)的選通控制信號(hào)GATE位置1，該時(shí)刻定時(shí)器T0工作狀態(tài)將由BUSY信號(hào)來(lái)決定。通過(guò)時(shí)序邏輯圖可以得到，當(dāng)TLC7135開(kāi)始工作，也就是在積分波形對(duì)應(yīng)的Signal－Integrate相位開(kāi)始工作時(shí)，TLC7135的BUSY信號(hào)處于高電平狀態(tài)時(shí)，定時(shí)器T0才開(kāi)始工作，并且定時(shí)器T0的TH0、TL0所記錄的數(shù)據(jù)與TLC7135的測(cè)量脈沖（從積分波形Signal－Integrate相位開(kāi)始工作到De－Integrate相位結(jié)束這一區(qū)間內(nèi)的脈沖稱為測(cè)量脈沖）滿足某種比例關(guān)系。其系統(tǒng)連接如圖5所示。

圖5 TLC7135與單片機(jī)系統(tǒng)的連接

其中，F(xiàn)osc為單片機(jī)系統(tǒng)固有的晶體振動(dòng)頻率；Ftime為定時(shí)器所用頻率；Fale為單片機(jī)ALE的輸出頻率；Ficl為TLC7135所使用的輸入信號(hào)頻率，該頻率可以通過(guò)Fale分頻得到。N是分頻比，對(duì)應(yīng)12MHz晶振該系統(tǒng)中N應(yīng)選為16。分頻數(shù)可根據(jù)TLC7135的需求和單片機(jī)的時(shí)鐘頻率進(jìn)行選擇，在該系統(tǒng)中采用4分頻工作，即選125kHz供TLC7135工作，這樣可以確保定時(shí)器T0在對(duì)測(cè)量數(shù)字脈沖計(jì)數(shù)的過(guò)程中不會(huì)超出所規(guī)定的范圍。如果運(yùn)用分頻數(shù)大于4的頻率，那么需要通過(guò)編制軟件進(jìn)行改進(jìn)。要得到A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)可以使用所測(cè)量數(shù)字脈沖數(shù)目減去10001。該轉(zhuǎn)換過(guò)程通常可采用軟件編程的方式來(lái)完成。被測(cè)的模擬量完全可以通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果所得到的脈沖數(shù)來(lái)得到。分頻過(guò)程是由12位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4040完成的。該芯片由12級(jí)主從觸發(fā)器構(gòu)成，復(fù)位端高電平復(fù)位，共有引腳16個(gè)。該系統(tǒng)具有占用單片機(jī)端口線數(shù)少，能減少系統(tǒng)硬件資源的使用數(shù)量，并能改善系統(tǒng)的整體抗干擾能力，卻不需要增加擴(kuò)展口器件的使用，使系統(tǒng)的成本達(dá)到最低。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)1線串行的方法讀取TLC7135的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。以TLC7135為核心，利用TLC7135進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，最終在單片機(jī)的控制下通過(guò)LED顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果，極大地簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程簡(jiǎn)潔、占用單片機(jī)資源少等特點(diǎn)，為單片機(jī)功能擴(kuò)展提供了更大空間。

[1] 陳尚松，雷加，郭慶.電子測(cè)量與儀器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：152－214.

[2] 嚴(yán)仍友，汪仁煌.ICL7135的串行采集方式在單片機(jī)電壓表中的應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件，2003（9）：12－14.

[3] 趙徽存，黃進(jìn)明.電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2004：34－55.

[4] 楊吉祥.電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)[M].南京：東南大學(xué)出版社，1999：123－157.

[5] 高光天.模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2001：105－132.