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串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC1540/1541結(jié)構(gòu)特性和工作原理
串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC1540/1541結(jié)構(gòu)特性和工作原理
作者:佚名  來源:不詳  錄入:Admin  更新時(shí)間：2008-7-26 21:05:19  點(diǎn)擊數(shù)：4
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河南職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院機(jī)電系 (新鄉(xiāng) 453003)
李國厚 摘 要：本文介紹了TI公司的串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC1540/1541結(jié)構(gòu)、特性和工作原理，討論了芯片與MCU連接的軟件和硬件接口設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：串行ADC 單片機(jī) 接口 Abstract:The structure,features and principle of serial A/D converter TLC1540/1541 are introduced in this paper,the software and hardware design of its interface with MCU are also dicussed in detail. Keywords:Serial ADC Monolithic Microcomputer Interface 在數(shù)字化測(cè)量?jī)x器和工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，首先需要用傳感器將被測(cè)量如溫度、濕度、壓力、流量、液位等參數(shù)轉(zhuǎn)變成電量，經(jīng)過放大處理后送A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，然后再進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)、顯示和打印等處理。傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸出一般采用并行方式，要占用系統(tǒng)較多的總線資源。TI公司推出的10位A/D轉(zhuǎn)換器TLC1540和TLC1541采用串行數(shù)據(jù)線，方便了與微處理器的接口，節(jié)約了總線資源。下面具體介紹其結(jié)構(gòu)、特性及其和單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)。 1. TLC1540/1541的特點(diǎn) 1.1 概述
TLC1540/1541是以10位開關(guān)電容逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)而構(gòu)造的CMOS A/D轉(zhuǎn)換器。它們?cè)O(shè)計(jì)成能通過三態(tài)輸出和模擬輸入與微處理器或外圍設(shè)備串行接口，也可以獨(dú)立工作。TLC1540/1541僅用輸入/輸出時(shí)鐘（I/O CLOCK）和芯片選擇（）輸入作數(shù)據(jù)控制，其最高I/O CLOCK輸入頻率為1.1MHz，應(yīng)用與TLC540/541類似。不同的是TLC1540/1541提供了片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘，通常工作在2.1MHz而不需要外部時(shí)鐘。片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘使內(nèi)部器件的操作獨(dú)立于串行輸入/輸出時(shí)序并允許TLC1540/1541象許多軟件和硬件所要求的那樣工作。I/O CLOCK和內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘一起可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送以及每秒32258次轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度。 TLC1540/1541具有通用控制邏輯及自動(dòng)工作或在MCU 控制下工作的片內(nèi)采樣-保持電路，還有差分高阻抗基準(zhǔn)電壓輸入端，易于實(shí)現(xiàn)比例轉(zhuǎn)換（ratiometric conversion）的高速轉(zhuǎn)換器、定標(biāo)（scaling）以及與邏輯和電源噪聲隔離的電路。整個(gè)開關(guān)電容逐次逼近轉(zhuǎn)換器電路的設(shè)計(jì)允許在小于21μs的時(shí)間內(nèi)以最大誤差分別為+0.5最低有效位（TLC1540）和+1最低有效位（TLC1541）的精度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。TLC1540C/1541C的工作溫度范圍是0℃-70℃，封裝都有SO、PCC和PDIP三種形式。 1.2特點(diǎn) TLC1540/1541具有以下特點(diǎn)：
    10位分辨率A/D轉(zhuǎn)換器
  • 微處理器外設(shè)或獨(dú)立工作
  • 差分基準(zhǔn)輸入電壓
  • 轉(zhuǎn)換時(shí)間 21μs Max
  • 12個(gè)通道的模擬開關(guān)
  • 片內(nèi)軟件可控采樣-保持
  • 總不可調(diào)整誤差（Total Unadjusted Error）： 字串3
    TLC1540：+0.5LSB Max
    TLC1541：+1LSB Max
  • 2.1MHz典型內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘
  • 寬電源電壓范圍 3V-6V
  • 低功耗 6mW Max
  • 能理想地用于包括電池供電的便攜式儀表的低成本、高性能應(yīng)用
  • 引腳和控制信號(hào)與TLC540、TLC545 8位A/D轉(zhuǎn)換器以及TLC548/549 8位A/D轉(zhuǎn)換器兼容
  • CMOS工藝
1.3 功能方框圖和引腳排列
TLC1540/1541的功能方框圖如圖1所示，主要由采樣-保持電路、多路模擬開關(guān)、片內(nèi)時(shí)鐘電路、開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)輸出寄存器、控制邏輯及數(shù)據(jù)選擇和驅(qū)動(dòng)器等部分組成。小型和PDIP封裝的TLC1540/1541的引腳排列如圖2所示。 
圖2 TLC1540/1541引腳排列圖 2 特性與工作原理 2.1 TLC1540/1541在工作范圍內(nèi)的極限參數(shù)
    電源電壓VCC 6.5V
  • 任何輸入端輸入電壓范圍
    -0.3V~VCC+0.3V
  • 輸出電壓范圍 -0.3V~VCC+0.3V
  • 峰值輸入電流范圍 +10mA
  • 峰值總輸入電流范圍 +30mA
  • 工作溫度范圍（自然通風(fēng)）
    TLC1540C/1541C 0℃~70℃
  • 儲(chǔ)存溫度范圍 -65℃~150℃
  • 引線溫度(離外殼1.6mm）260℃ 10秒
2.2 工作原理 字串7
TLC1540/1541是在單個(gè)芯片內(nèi)的完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。每一個(gè)器件包含內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘、采樣和保持、10位A/D轉(zhuǎn)換器、片上寄存器以及控制邏輯電路。為了提高靈活性和訪問速度，器件有兩個(gè)控制輸入：I/O CLOCK和芯片選擇。這些控制輸入和與TTL兼容的3態(tài)輸出易于與微處理器或者微型計(jì)算機(jī)的串行通信。器件可在21μS或更短的時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。TLC1540/1541每31μS重復(fù)一次完整的輸入-轉(zhuǎn)換-輸出周期。系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘和I/O CLOCK獨(dú)立使用且不需要任何特定的速度或二者之間的相位關(guān)系。這種獨(dú)立性簡(jiǎn)化了器件的硬件和軟件控制任務(wù)。由于這種獨(dú)立性和系統(tǒng)時(shí)鐘的內(nèi)部產(chǎn)生，控制硬件和軟件只需關(guān)心利用I/O時(shí)鐘讀出先前轉(zhuǎn)換器結(jié)果和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘以這種方式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換電路以便控制硬件和軟件不需要涉及這項(xiàng)任務(wù)。其工作時(shí)序如圖3所示。 當(dāng)為高電平時(shí)，DATA OUT處于高阻狀態(tài)且I/O時(shí)鐘（I/O CLOCK）被禁止。當(dāng)使用另外的TLC1540/1541器件時(shí)，這種片選控制功能允許I/O CLOCK與其計(jì)數(shù)部件端共用同樣的控制點(diǎn)。當(dāng)使用多個(gè)TLC1540/1541器件時(shí)，這也用于使所需的控制邏輯端為最少�？刂茣r(shí)序已設(shè)計(jì)成使啟動(dòng)轉(zhuǎn)換與取得轉(zhuǎn)換結(jié)果所需的時(shí)間和工作最少。正常的控制時(shí)序?yàn)椋?（1）被拉至低電平。為了使端噪聲所產(chǎn)生的誤差為最小，在識(shí)別低跳變之前，內(nèi)部電路在 ↓之后等待系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘兩個(gè)上升沿與其后的下降沿。當(dāng)器件用于噪聲環(huán)境中時(shí)，這種技術(shù)可用來保護(hù)器件使其 免受噪聲的影響。當(dāng)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高有效位（MSB）開始出現(xiàn)在DATA OUT端。 字串9
圖3 TLC1540/1541的工作時(shí)序圖 （2） 前4個(gè)I/O CLOCK周期的上升沿輸入正邏輯的通道地址，高位地址在前。在這4個(gè)脈沖的下降沿分別輸出前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的第二、第三、第四和第五個(gè)最高有效位。在第四個(gè)高電平至低電平的跳變之后，片內(nèi)采樣和保持電路開始對(duì)尋址的模擬通道進(jìn)行模擬輸入采樣。采樣操作主要是將內(nèi)部電容器充電到模擬輸入電壓的電平。 （3） 其后把5個(gè)I/O CLOCK周期加到I/O CLOCK端，在這些時(shí)鐘周期的下降沿，第6、第7、第8、第9、第10個(gè)轉(zhuǎn)換位被移出。 （4） 最后一個(gè)（第10個(gè)）時(shí)鐘周期被加到I/O CLOCK。此時(shí)鐘周期高電平至低電平的跳變使片內(nèi)采樣和保持電路開始保持功能。在下面44個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。在第10個(gè)I/O CLOCK周期之后，必須變?yōu)楦唠娖�，否則I/O CLOCK必須保持低電平達(dá)至少44個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期以供保持和轉(zhuǎn)換功能的完成。 在多個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)片選信號(hào)可保持低電平。在多個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)使片選信號(hào)保持低電平時(shí)必須特別注意防止I/O CLOCK線上的噪聲閃變。如果發(fā)生了閃變，那么在微處理器/控制器和器件之間的I/O時(shí)序?qū)⑹ネ健４送�，如果片選信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑敲此仨毐３指唠娖街钡睫D(zhuǎn)換結(jié)束為止。否則，片選信號(hào)的有效高電平至低電平跳邊將引起復(fù)位而使正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換失敗。 在44個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期發(fā)生之前，通過完成步驟1到4可以啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換，同時(shí)正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換中止。此操作產(chǎn)生先前的轉(zhuǎn)換結(jié)果而不是正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換結(jié)果。 對(duì)于某些應(yīng)用，諸如選通（strobing）應(yīng)用，需要在特定的時(shí)間點(diǎn)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。此器件能適應(yīng)這些應(yīng)用。雖然片內(nèi)采樣和保持在第4個(gè)有效I/O時(shí)鐘周期的負(fù)沿開始采樣，但是直到第10個(gè)有效的I/O時(shí)鐘周期的負(fù)邊沿之前，保持功能并不開始。TLC1540/1541繼續(xù)采樣模擬輸入，直到I/O時(shí)鐘的第8個(gè)下降沿為止。然后控制電路或軟件立即拉低I/O CLOCK并啟動(dòng)保持功能以及在所需的時(shí)間點(diǎn)保持模擬信號(hào)并開始轉(zhuǎn)換。 3 TLC1540/1541與MCU的接口設(shè)計(jì)

字串7


由于TLC1540/1541采用串行方式來傳送數(shù)據(jù)，在和單片機(jī)連接時(shí)只需占用4根口線。其中I∕O CLOCK、ADDRESS IN和DATA OUT可以和另外的TLC1540∕1541或外部單元共用。具體的接口方法如圖4所示，圖中P10接片選端，P11接時(shí)鐘端，P12接數(shù)據(jù)輸出端，P13接地址輸入端。轉(zhuǎn)換的結(jié)果可通過P11模擬時(shí)鐘信號(hào)讀到MCU中。  程序如下：
      MOV  R0，＃40H;結(jié)果緩沖區(qū)首址    
      MOV  R1，＃0；選通道
CLR   P11 
CLR   P10
CLR   A
LOOP:LCALL  READ；讀前次結(jié)果高8位
      DJNZ   R7，LOOP
      MOV   R0，A
      INC     R0
MOV  R7，＃2
CLR   A
LOP1:LCALL  READ；讀前次結(jié)果低2位 字串5
      DJNZ   R7，LOP1
      MOV   R0，A
      SETB   P10
      INC     R0
LCALL DELAY;延時(shí)50 μs子程序
      CLR     P10
MOV    R7，＃8
CLR     A
LOP2: LCALL   READ；讀本次結(jié)果
      DJNZ    R7，LOP2
      MOV     R0，A
MOV    R7，＃2
CLR     A
LOP3:LCALL   READ
      DJNZ    R7，LOP3
字串4

      MOV   R0，A
      SETB   P10
         ┉ ┉
 
READ:PUSH  A
MOV   A，R1
RLC    A
MOV   R1，A 
POP    A
MOV   P13，C
SETB   P11
CLR    P11
      MOV   C，P12
      RLC    A
      SETB   P11
      RET
DELAY： ┉ ┉    ；    延時(shí)子程序略 參考文獻(xiàn)
1 Texas Instruments.TLC1540/1541 Application Guide Ref.Vol3, Texas Instruments Inc.,1999
2 何立民.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)出版社,1995 論文題目：TLC1540/1541 and Its Application 字串1
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