技术探讨:基于TC534的数据采集卡设计
引言
数据采集常用的器件一般有：多路模拟开关，采样和保持电路，A/D转换器，D/A转换器，分频器，计数器/定时器，串行口等，这些器件都具有相对的独立性，它们可以根据不同的使用要求组成不同的采集电路。作为普适性的器件，在结构较简单系统中是实用的，也是比较经济的。但随着更高要求的数据采集系统，尤其是智能化装置中的数据采集系统的发展，如果继续采用一般的器件，就可能会造成整个系统无论是硬件电路，还是控制软件，都较庞大，复杂，而且也可能引起系统可靠性，稳定性，经济性等方面的问题。
TC534是美国加恒公司研制的专配微处理器的可编程精密数据采集系统，可广泛用于智能化测量系统及工业过程控制等领域。
TC534的性能特点
1.TC534是集成了多路转换器，精密A/D转换器，状态逻辑控制器，振荡分频器，串行口等部分的大规模集成电路形式的单片数据采集系统，具有很高的性价比。TC534为4通道输入芯片，能采集4路差动输入的模拟信号，信号幅度最大为±4.2V。
2.集成的精密双积分式A/D转换器（其超量程位可达17位），其自动调零误差，非线性误差和翻转误差分别为0.005%FS，0.015%FS，0.03%FS(FS代表满量程值)，可完成高准确度的A/D转换。
3.具有数据输入，数据输出，数据时钟等3线的串行口和读写控制端，很容易实现与微机的连接。串行口中还包括输入/输出移位寄存器，CPU可通过相应的串行口进行编程，并可设定自动调零，正向积分的时间及转换速率，以适应不同使用场合所需。
4.具有自动转换极性(POL)，超量程检测(OVR)功能。利用片内高效DC/DC电源转换器能获得-5V电源，除了提供内部多路转换器使用外，还可输出10mA电流，供外部电路（如运算放大器，模拟开关等）使用。
5.低功耗。采用+5V单电源供电，最大工作电流仅5mA，功耗不超过25mW。
TC534工作原理
1.管脚功能
TC534采用的是DIP—40封装方式，其管脚排列如下图。
V+,COM管脚分别是A/D转换器和DC/DC负电源变换器的正电源端和模拟地。V-,AGND,OSC管脚依次为DC/DC负电源变换器的-5V输出端，模拟地，外接振荡电容端。AGND可与COM连通。CAP+,CAP-接充电泵电容的正负两极。Vcc和DGND管脚分别为串行口的正电源端和接地端。通常Vcc接V+，DGND接μP的地端。CINT,CAZ,BUF分别接积分电容CINT，自动调零电容CAZ，积分电阻RINT。CREF+,CREF-接基准电容的正负两端。CH1+和CH1-—CH4+和CH4-是通道1—通道4的差动模拟信号正负输入端。A1,A0为多路转换器的通道地址线，其中A0为低位地址线。OSC1,OSC0是外接2MHz石英晶体端。DIN是串行输入端，由μP设定的自动调零及正向积分时间由该端输入，并且设定值首先进入输入移位寄存器的最低有效位。上电后经过初始化，即可随时重新输入或修改设定值。DOUT为串行数据输出端，仅当R/ =1时输出有效。DCLK为串行时钟端，串行时钟最高频率为3MHz。当R/ =1（高电平）时，在每个时钟的下降沿时刻，A/D转换数据就从DOUT端输出，并将下一位数据移至此端；当R/=0时，对应于每个时钟的上升沿，设定值经端写入TC534中。读写控制端R/=1时进行读操作，反之为写操作。为A/D转换结束标志，每次A/D转换结束之后，该端输出一个负脉冲，可向μP申请中断，实现读操作。R为复位端，上电时应使R=1，A/D转换器进入自动调零阶段；R=0时允许A/D转换。利用上电复位电路（或μP）发出复位信号。在改变多路转换器地址线时，μP也应产生复位信号，使A/D转换暂停。此外，在发出加信号时必须令R=1，以免出现错误信息。
2.工作原理
TC534的原理框图如图。
从图中可以看到，TC534主要包括5部分：
1)多路转换器。由多路模拟开关构成。改变地址码A1,A0，就可选择不同的通道。使用中常采用差动输入的形式，如需改成单端输入时，应将CH1-—CH4-端接到COM端。
2)双积分A/D转换器。TC534采用的是双积分A/D转换器，内含缓冲器，积分器和比较器。每个转换周期分4个阶段进行，即自动调零（AZ），正向积分(INT)，反向积分(DE)，积分器调零(IZ)。
3)状态逻辑控制器及振荡分频器。此部分能够根据比较器输出的电压大小及其极性，适时地发出控制信号A,B，以保证A/D转换按规矩顺序与编程要求来进行。控制器里还有定时器（可预置时基计数器），用来接收串行口送来的设定值。振荡器外接来自2MHz石英晶体的时钟频率，再通过4分频作为内部的时基，对A/D转换进行定时。
4)串行口。串行口中包括串行输入和串行输出移位寄存器。
5)DC/DC负电源变换器。为将正压直流输入变为负压直流输出的部分，利用振荡器，模拟开关和泵电容来实现电压极性转换。
TC534精密数据采集系统
TC534芯片与微处理器连接构成基本的数据采集与控制系统的原理如图所示。
如图所示，作为中断信号接到微处理器的端，再将串行口的R/，DOUT，DIN和DCLK端分别接到微处理器的I/O1—I/O4端。刚上电时，由于C1两端的压降不可能发生突变，使得R端产生一个正向脉冲，将TC534复位（若C1=0.01μF，能产生脉冲宽度为100ms的复位信号）。2MHz石英晶体JT接在OSC1，OSC0之间。C2，C3是-5V电源发生器的充电泵电容。基准电压是由TC04提供的1.25V的基准电压源，经多圈电位器RP分压后得到。R为限流电阻。
积分器最大输出电流为20μA，所以积分电阻RINT的值为：
RINT=VM/IINT=VM/(20×10-6) ........................(1)
为了保证积分器工作的
稳定性，应选RINT≥50kΩ。当满量程电压为2V时，RINT=100 kΩ。积分器的最大输出电压摆幅为V+≈0.9V，积分电容可由下式确定：
CINT=(20×10-6TINT)/(V+-0.9) ...........................(2)
以TINT=60ms，V+=5V代入(2)中，可得：CINT=0.29μF
实际使用时可采用0.33μF的聚丙烯电容。
CREF和CAZ的容量相等，并与A/D转换的速率是相关的，CREF值越小，则转换速率就越高，它们之间的关系可参考如下：
A/D转换速率(MR/(次/s))： >7 2～7 <2
CREF和CAZ的容量（μF）： 0.1 0.22 0.47
数据采集常用的器件一般有：多路模拟开关，采样和保持电路，A/D转换器，D/A转换器，分频器，计数器/定时器，串行口等，这些器件都具有相对的独立性，它们可以根据不同的使用要求组成不同的采集电路。作为普适性的器件，在结构较简单系统中是实用的，也是比较经济的。但随着更高要求的数据采集系统，尤其是智能化装置中的数据采集系统的发展，如果继续采用一般的器件，就可能会造成整个系统无论是硬件电路，还是控制软件，都较庞大，复杂，而且也可能引起系统可靠性，稳定性，经济性等方面的问题。
TC534是美国加恒公司研制的专配微处理器的可编程精密数据采集系统，可广泛用于智能化测量系统及工业过程控制等领域。
TC534的性能特点
1.TC534是集成了多路转换器，精密A/D转换器，状态逻辑控制器，振荡分频器，串行口等部分的大规模集成电路形式的单片数据采集系统，具有很高的性价比。TC534为4通道输入芯片，能采集4路差动输入的模拟信号，信号幅度最大为±4.2V。
2.集成的精密双积分式A/D转换器（其超量程位可达17位），其自动调零误差，非线性误差和翻转误差分别为0.005%FS，0.015%FS，0.03%FS(FS代表满量程值)，可完成高准确度的A/D转换。
3.具有数据输入，数据输出，数据时钟等3线的串行口和读写控制端，很容易实现与微机的连接。串行口中还包括输入/输出移位寄存器，CPU可通过相应的串行口进行编程，并可设定自动调零，正向积分的时间及转换速率，以适应不同使用场合所需。
4.具有自动转换极性(POL)，超量程检测(OVR)功能。利用片内高效DC/DC电源转换器能获得-5V电源，除了提供内部多路转换器使用外，还可输出10mA电流，供外部电路（如运算放大器，模拟开关等）使用。
5.低功耗。采用+5V单电源供电，最大工作电流仅5mA，功耗不超过25mW。
TC534工作原理
1.管脚功能
TC534采用的是DIP—40封装方式，其管脚排列如下图。
 |
V+,COM管脚分别是A/D转换器和DC/DC负电源变换器的正电源端和模拟地。V-,AGND,OSC管脚依次为DC/DC负电源变换器的-5V输出端，模拟地，外接振荡电容端。AGND可与COM连通。CAP+,CAP-接充电泵电容的正负两极。Vcc和DGND管脚分别为串行口的正电源端和接地端。通常Vcc接V+，DGND接μP的地端。CINT,CAZ,BUF分别接积分电容CINT，自动调零电容CAZ，积分电阻RINT。CREF+,CREF-接基准电容的正负两端。CH1+和CH1-—CH4+和CH4-是通道1—通道4的差动模拟信号正负输入端。A1,A0为多路转换器的通道地址线，其中A0为低位地址线。OSC1,OSC0是外接2MHz石英晶体端。DIN是串行输入端，由μP设定的自动调零及正向积分时间由该端输入，并且设定值首先进入输入移位寄存器的最低有效位。上电后经过初始化，即可随时重新输入或修改设定值。DOUT为串行数据输出端，仅当R/ =1时输出有效。DCLK为串行时钟端，串行时钟最高频率为3MHz。当R/ =1（高电平）时，在每个时钟的下降沿时刻，A/D转换数据就从DOUT端输出，并将下一位数据移至此端；当R/=0时，对应于每个时钟的上升沿，设定值经端写入TC534中。读写控制端R/=1时进行读操作，反之为写操作。为A/D转换结束标志，每次A/D转换结束之后，该端输出一个负脉冲，可向μP申请中断，实现读操作。R为复位端，上电时应使R=1，A/D转换器进入自动调零阶段；R=0时允许A/D转换。利用上电复位电路（或μP）发出复位信号。在改变多路转换器地址线时，μP也应产生复位信号，使A/D转换暂停。此外，在发出加信号时必须令R=1，以免出现错误信息。
2.工作原理
TC534的原理框图如图。
 |
从图中可以看到，TC534主要包括5部分：
1)多路转换器。由多路模拟开关构成。改变地址码A1,A0，就可选择不同的通道。使用中常采用差动输入的形式，如需改成单端输入时，应将CH1-—CH4-端接到COM端。
2)双积分A/D转换器。TC534采用的是双积分A/D转换器，内含缓冲器，积分器和比较器。每个转换周期分4个阶段进行，即自动调零（AZ），正向积分(INT)，反向积分(DE)，积分器调零(IZ)。
3)状态逻辑控制器及振荡分频器。此部分能够根据比较器输出的电压大小及其极性，适时地发出控制信号A,B，以保证A/D转换按规矩顺序与编程要求来进行。控制器里还有定时器（可预置时基计数器），用来接收串行口送来的设定值。振荡器外接来自2MHz石英晶体的时钟频率，再通过4分频作为内部的时基，对A/D转换进行定时。
4)串行口。串行口中包括串行输入和串行输出移位寄存器。
5)DC/DC负电源变换器。为将正压直流输入变为负压直流输出的部分，利用振荡器，模拟开关和泵电容来实现电压极性转换。
TC534精密数据采集系统
TC534芯片与微处理器连接构成基本的数据采集与控制系统的原理如图所示。
 |
如图所示，作为中断信号接到微处理器的端，再将串行口的R/，DOUT，DIN和DCLK端分别接到微处理器的I/O1—I/O4端。刚上电时，由于C1两端的压降不可能发生突变，使得R端产生一个正向脉冲，将TC534复位（若C1=0.01μF，能产生脉冲宽度为100ms的复位信号）。2MHz石英晶体JT接在OSC1，OSC0之间。C2，C3是-5V电源发生器的充电泵电容。基准电压是由TC04提供的1.25V的基准电压源，经多圈电位器RP分压后得到。R为限流电阻。
积分器最大输出电流为20μA，所以积分电阻RINT的值为：
RINT=VM/IINT=VM/(20×10-6) ........................(1)
为了保证积分器工作的
稳定性，应选RINT≥50kΩ。当满量程电压为2V时，RINT=100 kΩ。积分器的最大输出电压摆幅为V+≈0.9V，积分电容可由下式确定：
CINT=(20×10-6TINT)/(V+-0.9) ...........................(2)
以TINT=60ms，V+=5V代入(2)中，可得：CINT=0.29μF
实际使用时可采用0.33μF的聚丙烯电容。
CREF和CAZ的容量相等，并与A/D转换的速率是相关的，CREF值越小，则转换速率就越高，它们之间的关系可参考如下：
A/D转换速率(MR/(次/s))： >7 2～7 <2
CREF和CAZ的容量（μF）： 0.1 0.22 0.47