A/D转换芯片TLC1543与STC89C52RC单片机接口电路设计

A/D转换芯片TLC1543与STC89C52RC单片机接口电路设计 

作者：武汉谷鑫科技有限公司 www.mcutech.cn

TLC1543是美国TI公司生产的多通道、低价格的模数转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广 泛应用于各种数据采集系统。 TLC1543为20脚DIP封装的CMOS 10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器，引脚排列如图1所示。其中A0～A10（1～9、11、12 脚）为11个模拟输入端，REF+（14脚，通常为VCC）和REF-（13脚，通常为地）为基准电压正负端，CS（15脚）为片选端，在CS端的一个下降沿变化将 复位内部计数器并控制和使能ADDRESS、I/O CLOCK（18脚）和DATA OUT（16 脚）。ADDRESS（17脚）为串行数据输入端，是一个4位的串行地址用来选择 下一个即将被转换的模拟输入或测试电压。DATA OUT 为A/D转换结束3态串行输出端，它与微处理器或外围的串行口通信，可对数据长度和格式灵活编 程。I/O CLOCK为数据输入/输出提供同步时钟，系统时钟由片内产生。芯片 内部有一个14通道多路选择器，可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电 压中的任意一个进行测试。片内设有采样-保持电路，在转换结束时，EOC（19 脚）输出端变高表明转换完成。内部转换器具有高速（10μS转换时间），高 精度（10位分辨率，最大±1LSB不可调整误差）和低噪声的特点。

TLC1543是CMOS、10位开关电容逐次逼近模数转换器。这些器件有三个输入端和一个三态输出端（片选CS、输入／输出I/O CLOCK、地址输入ADDRESS和数据输出DATA OUT）这样就和主处理器的串行口有一个直接的4线接口。可以进行高速的数据传输。
    除了进行高速的数据转换和通用的控制能力外，该器件有一个片内的14通道多路器，可以选择11个输入中的任意一个或3个内部自测试（self-test）电压中的一个。采样和保持是自动的。在转换结束时，“转换结束”（EOC）输出端变高以指示转换的完成。器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。开关电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。

1． TLC1543的工作时序  

其工作过程分为两个周期：访问周期和采样周期。工作状态由CS使能或禁止，工作时CS必须 置低电平。CS为高电平时，I/O CLOCK、ADDRESS被禁止，同时DATA OUT为高 阻状态。当CPU使CS变低时，TLC1543开始数据转换，I/O CLOCK、ADDRESS使能，DATA OUT脱离高阻状态。随后，CPU向ADDRESS端提供4位通道地址，控 制14个模拟通道选择器从11个外部模拟输入和3个内部自测电压中选通1路送 到采样保持电路。同时，I/O CLOCK端输入时钟时序，CPU从DATA OUT 端接收前一次A/D转换结果。I/O CLOCK从CPU  接受10个时钟长度的时钟序列。前4个时钟用4位地址从ADDRESS端装载地址寄存器，选择所需的模拟通道，后6个时钟对模拟输入的采样提供控制时序。模拟输入的采样起始于第4个I/OCLOCK的下降沿，而采样一直持续6个I/O CLOCK周期，并一直保持到第10个I/O CLOCK的下降沿。转换过程中，CS的下降沿使DATA OUT引脚脱离高阻状态并 起动一次I/O CLOCK的工作过程。CS的上升沿终止这个过程并在规定的延迟 时间内使DATA OUT引脚返回到高阻状态，经过两个系统时钟周期后禁止I/O CLOCK和ADDRESS端。

2．软硬件设计要点

TLC1543的三个控制输入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS 和一个数据输出端DATA OUT遵循串行外设接口SPI协议，要求微处理器具有 SPI接口。但大多数单片机均未内置SPI接口（如目前国内广泛采用的MCS51 和PIC系列单片机），需通过软件模拟SPI协议以便和TLC1543接口。TLC1543 芯片的三个输入端和一个输出端与51系列单片机的I/O口可直接连接。

软件设计中，应注意区分TLC1543的11个模拟输入通道和3个内部测试 电压地 址。 附 表为 模拟 通道和 内部 电压测 试地 址。程 序 软件 编 写 应 注 意 TLC1543通道地址必须为写入字节的高四位，而CPU读入的数据是芯片上次A/D转换完成的数据。

                          表二

1.1.2   测量算法 

    A/D转换结果D与被测量x存在以下关系：

                             （3-9）

式中：S——传感器及其测量电路的灵敏度（即被测量X转换成电压U的转换系数）

      K——放大器的放大倍数

      ——A/D转换器满量程输入电压

       ——A/D转换器满量程输出数字

而被测量X总是以其测量数字N和测量单位x1表示

                              （3-10）

将式（3-10）代入（3-9）得

                              （3-11）

由上式可见只要满足以下条件

                                 （3-12）

就可以使A/D转换结果D与被测量x的数值N相等，即D=N，在这种情况下将A/D转换结果作为被测量的数值传送到显示器显示出来。