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，將被測電壓（模擬量）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將測量結(jié)果以數(shù)字形式顯示出來的一種電子測量儀器。一臺典型的直流數(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，實現(xiàn)被測電壓轉(zhuǎn)換成與其成比例的數(shù)字量。由于電壓是一個最基本的電量，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簡介

一個設(shè)計的成敗核心問題就是主要器件的選用問題。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（相當于14位A／D）轉(zhuǎn)換精度（±1）的計數(shù)分辨率。

擁有雙極性相對較高的高阻抗差動輸入、自動進行調(diào)零、量程檢測及輸出為動態(tài)掃描的BCD碼等功能。

圖2 TLC7135工作時序

TLC7135相對外圍電路提供6個控制信號，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行連接使用。

位選掃描信號UNDERRANGE（欠量程時）自動調(diào)零＋零積分（放電）10001個脈沖信號積分10000個脈沖OVE（超量程時）BUSY（狀態(tài)信號）完整測量40002個時鐘周期1000COUNTST2T1D5D4D3D2D1。TLC7135一次 A／D 轉(zhuǎn)換周期分為4個階段：自動調(diào)零（AZ）、信號積分（INT）、基準電壓反向積分（DE）和積分回零（ZI）。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計

儀表以單片機為控制核心，采用TLC7135進行A／D轉(zhuǎn)換，并通過LED顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

輸入信號通過模擬開關(guān)通路來選擇合適的量程轉(zhuǎn)換，然后將輸入信號輸入到A／D轉(zhuǎn)換電路中去，通過A／D輸出由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，最后通過單片機編程實現(xiàn)從數(shù)字量編碼轉(zhuǎn)換到七段譯碼，最后送到數(shù)碼管顯示輸出測量結(jié)果。

單片機選擇的是MCS－51系列。51系列是一種很經(jīng)典的單片機，具有較高的時鐘頻率和較大的存儲空間，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，擴大應(yīng)用范圍。

TLC7135與單片機系統(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)輸出線進行連接，還要連接BCD碼數(shù)據(jù)的位驅(qū)動信號，應(yīng)該有9根I／O串口線。所以，該系統(tǒng)在電路連接上較復雜，并且軟件編程也不簡單。采用TLC7135串行方法則是經(jīng)過計錄數(shù)字脈沖的方式，進行得到測量數(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)果滿足對應(yīng)關(guān)系?？梢酝ㄟ^單片機的定時器T0或定時器T1計錄數(shù)字脈沖的個數(shù)。由于定時器T0的時鐘頻率是該系統(tǒng)晶體振動固有頻率的一半，所以，可以把單片機的ALE信號端子看作TLC7135數(shù)字脈沖的輸入。在進行系統(tǒng)軟件設(shè)計編程過程中，如果單片機的指令中沒有MOVX指令，ALE端子產(chǎn)生的脈沖頻率為固有晶體振動頻率的1／6。最后，便可找到定時器所使用的頻率與單片機系統(tǒng)晶振頻率的關(guān)系，以及TLC7135所需的頻率輸入與單片機系統(tǒng)晶振頻率的關(guān)系。

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

圖5 TLC7135與單片機系統(tǒng)的連接

其中，F(xiàn)osc為單片機系統(tǒng)固有的晶體振動頻率；Ftime為定時器所用頻率；Fale為單片機ALE的輸出頻率；Ficl為TLC7135所使用的輸入信號頻率，該頻率可以通過Fale分頻得到。N是分頻比，對應(yīng)12MHz晶振該系統(tǒng)中N應(yīng)選為16。分頻數(shù)可根據(jù)TLC7135的需求和單片機的時鐘頻率進行選擇，在該系統(tǒng)中采用4分頻工作，即選125kHz供TLC7135工作，這樣可以確保定時器T0在對測量數(shù)字脈沖計數(shù)的過程中不會超出所規(guī)定的范圍。如果運用分頻數(shù)大于4的頻率，那么需要通過編制軟件進行改進。要得到A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果所對應(yīng)的脈沖數(shù)可以使用所測量數(shù)字脈沖數(shù)目減去10001。該轉(zhuǎn)換過程通?？刹捎密浖幊痰姆绞絹硗瓿伞１粶y的模擬量完全可以通過A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果所得到的脈沖數(shù)來得到。分頻過程是由12位同步二進制計數(shù)器CD4040完成的。該芯片由12級主從觸發(fā)器構(gòu)成，復位端高電平復位，共有引腳16個。該系統(tǒng)具有占用單片機端口線數(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，卻不需要增加擴展口器件的使用，使系統(tǒng)的成本達到最低。

4 結(jié)束語

本文通過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進行A／D轉(zhuǎn)換，最終在單片機的控制下通過LED顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果，極大地簡化了電路設(shè)計，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、編程簡潔、占用單片機資源少等特點，為單片機功能擴展提供了更大空間。

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

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

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

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

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