TLC1549串口传输与单片机的A／D设计

1 概述

　　TLC1549系列是美国德州仪器公司生产的具有串行控制、连续逐次逼近型的模数转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片选(CS低电平有效)，输入／输出时钟(I／O CLOCK)，数据输出(DATAOUT)。TLC1549引脚排列如图1所示。TLC1549能以串行方式送给单片机，其功能结构如图2所示。由于TLC1549采用CMOS工艺。内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为±1 LSB(4.8 mV)，因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。

TLC1549在工作温度范围内的极限参数：

　　电源电压范围：-0.5 V～6.5 V；

　　125℃输入电压范围：-0.3 V～VCC+0.3 V；

　　输出电压范围：-0.3～VCC+0.3 V；

　　正基准电压：VCC+0.1 V；

　　负基准电压：-0.1 V；

　　峰值输入电流：+20 mA；

　　峰值总输入电流：±30 mA；

　　工作温度范围：TLC1549M为-55℃～125℃，TLC1549C为0℃～70℃，TLC1549I为-40℃～85℃。

2 工作原理

　　TLC1549具有6种串行接口时序模式，这些模式是由I／O CLOCK周期和CS定义。根据TLC1549的功能结构和工作时序，其工作过程可分为3个阶段：模拟量采样、模拟量转换和数字量传输。图3所示为TLC1549的时序图。

2.1 输入的模拟量采样

　　在第3个I／O CLOCK下降沿，输入模拟量开始采样，采样持续7个I／O CLOCK周期，采样值在第10个I／O CLOCK下降沿锁存。

2.2 输入的模拟量转换

　　对于连续逐次逼近型的模数转换器TLC1549，CMOS门限检测器通过检测一系列电容的充电电压决定A／D转换后的数字量的每一位，如图4所示。在转换过程的第一阶段，模拟输入量同时关闭SC和ST进行充电采样，这一过程使所有电容的充电电压之和达到模数转换器的输入电压。转换过程的第二阶段打开所有SC和ST，CMOS门限检测器通过识别每一只电容的电压确定每一位，使其接近参考电压。在这个过程中，10只电容逐一检测，直到确定转换的十位数字量。其详细步骤为：门限检测器检测第一只电容(weight=512)的电压，该电容的节点512连接到REF+。梯型网络中，其他电容的等效节点接到REF-。如果总节点的电压大于门限检测器的电压(大约VCC的一半)，“0”被送至输出寄存器，此时512-weight的电容连接到REF-。经反相后为“1”，即为最高位MSB为1；如果总节点的电压小于门限检测器的电压(大约VCC的一半)，“1”被送至输出寄存器，此时512-weight的电容连接到REF+，经反相后为“0”，存为最高位MSB为0。对于256-weight的电容和128-weight的电容也要通过连续逐次逼近型的重复操作，直到确定从高位(MSB)到低位(LSB)所有数字量，即为初始的模拟电压数字量。整个转换过程调整VREF+和VREF1以便从数字0至1跳变的电压(VZT)为0.002 4 V，满度跳变电压(VFT)为4.908 V，即1 LSB=4.8 mV。

2.3 数字量的传输

　　当片选CS由低电平变为高时，I／O CLOCK禁止且A／D转换结果的三态串行输出DATA OUT处于高阻状态；当串行接口将CS拉至有效时，即CS由高变为低时，CS复位内部时钟，控制并使能DA-TA OUT和I／O CLOCK，允许I／O CLOCK工作并使DATA OUT脱离高阻状态。串行接口把输入／输出时钟序列供给I／O CLOCK并接收上一次转换结果。首先移出上一次转换结果数字量对应的最高位，下一个I／O CLOCK的下降沿驱动DATA OUT输出上一次转换结果数字量对应的次高位，第9个I／OCLOCK的下降沿将按次序驱动DATA OUT输出上一次转换结果数字量的最低位，第10个I／OCLOCK的下降沿，DATA OUT输出一个低电平，以便串行接口传输超过10个时钟；I／O CLOCK从主机串行接口接收长度在10～16个时钟的输入序列。[page]

　　CS的下降沿，上一次转换的MSB出现在DATA OUT端。10位数字量通过DATA OUT发送到主机串行接口。为了开始传输，最少需要10个时钟脉冲，如果I／OCLOCK传送大于10个时钟，那么在第10个时钟的下降沿，内部逻辑把DATA OUT拉至低电平以确保其余位清零。在正常转换周期内，即规定的时间内CS端由高电平至低电平的跳变可以终止该周期，器件返回初始状态(输出数据寄存器的内容保持为上一次转换结果)。由于可能破坏输出数据，所以在接近转换完成时要小心防止CS拉至低电平。

3 实例应用及编程

　　实践中，某功能模块需将模拟电压转换为数字量，经过单片机处理后，储存在EEPROM中。利用P1.7作为片选端ADCS，P1.6作为数据输出端AD-DATA，P1.5作为时钟端ADCLK。图5所示为A／D串行接口应用原理图。

　　对于较大程序，应采用结构化程序设计，将整个程序按功能分成若干个模块，不同的模块完成不同的功能，这样可使整个应用系统程序结构清晰，易于调试和维护。以下给出了程序代码：

4 结束语

　　利用A／D串行输出设计不但提高了模数转换的精度，具有抗干扰性，而且节省了大量元件和印刷电路板的空间。该系统设计已经成功应用于工业现场控制系统的数据测量。