高淑艳

（大庆高新技术创业服务中心，黑龙江 大庆 163313）

1 数字电压表的组成原理

数字电压表（Digital Voltmeter，DVM）是利用模数（A／D）转换原理，将被测电压（模拟量）转换为数字量，并将测量结果以数字形式显示出来的一种电子测量仪器。一台典型的直流数字电压表主要由输入电路、A／D转换器、控制逻辑电路、显示器以及电源电路等几部分组成，如图1所示。输入电路和A／D转换器统称为模拟电路部分，而显示器和控制逻辑电路统称为数字电路部分。因此，一台数字电压表除供电电源外，主要由数字和模拟两部分构成。

A／D转换器是数字电压表的核心，实现被测电压转换成与其成比例的数字量。由于电压是一个最基本的电量，并且其他许多物理量都能方便地转换成电压，因此，电压—数字转换器是一种最基本、最常用的A／D转换方式。由于电压—数字转换的原理和方案有很多种，相应地也具有各种不同类型的数字电压表。

图1 直流数字电压表的基本框图

2 TLC7135简介

一个设计的成败核心问题就是主要器件的选用问题。前面已经提到的A／D转换器是数字电压表的核心，因此，A／D转换器的选用非常重要。TLC7135工作时序如图2所示。TLC7135是高精度4位CMOS双积分型A／D转换器，提供±20000（相当于14位A／D）转换精度（±1）的计数分辨率。

拥有双极性相对较高的高阻抗差动输入、自动进行调零、量程检测及输出为动态扫描的BCD码等功能。

图2 TLC7135工作时序

TLC7135相对外围电路提供6个控制信号，所以，除了具有数字电压表的功能外，还可以和微处理器、非同步接收／发送器以及其它控制电路进行连接使用。

位选扫描信号UNDERRANGE（欠量程时）自动调零＋零积分（放电）10001个脉冲信号积分10000个脉冲OVE（超量程时）BUSY（状态信号）完整测量40002个时钟周期1000COUNTST2T1D5D4D3D2D1。TLC7135一次 A／D 转换周期分为4个阶段：自动调零（AZ）、信号积分（INT）、基准电压反向积分（DE）和积分回零（ZI）。

3 系统整体设计

仪表以单片机为控制核心，采用TLC7135进行A／D转换，并通过LED显示转换结果。系统设计如图3所示。

图3 系统设计结构框图

输入信号通过模拟开关通路来选择合适的量程转换，然后将输入信号输入到A／D转换电路中去，通过A／D输出由模拟量转换成数字量，最后通过单片机编程实现从数字量编码转换到七段译码，最后送到数码管显示输出测量结果。

单片机选择的是MCS－51系列。51系列是一种很经典的单片机，具有较高的时钟频率和较大的存储空间，并且还能采用嵌入式操作系统。这些都极大地提高了它的性能，扩大应用范围。

TLC7135与单片机系统连接如图4所示，如果采用TLC7135的并行采集方式，那么既要与BCD码数据输出线进行连接，还要连接BCD码数据的位驱动信号，应该有9根I／O串口线。所以，该系统在电路连接上较复杂，并且软件编程也不简单。采用TLC7135串行方法则是经过计录数字脉冲的方式，进行得到测量数据转换后的数据结果。

图4 TLC7135典型单元电路

由时序分析图可以得到，在De－Integrate相位期间，数字脉冲数与模数转换的结果满足对应关系。可以通过单片机的定时器T0或定时器T1计录数字脉冲的个数。由于定时器T0的时钟频率是该系统晶体振动固有频率的一半，所以，可以把单片机的ALE信号端子看作TLC7135数字脉冲的输入。在进行系统软件设计编程过程中，如果单片机的指令中没有MOVX指令，ALE端子产生的脉冲频率为固有晶体振动频率的1／6。最后，便可找到定时器所使用的频率与单片机系统晶振频率的关系，以及TLC7135所需的频率输入与单片机系统晶振频率的关系。

如果使定时器T0所记录的数字脉冲与TLC7135工作所需的脉冲个数完全相同，就可以把TLC7135的信号连接到单片机AT89S52的P3.2（INT0）引脚上，并且把单片机定时器T0对应的选通控制信号GATE位置1，该时刻定时器T0工作状态将由BUSY信号来决定。通过时序逻辑图可以得到，当TLC7135开始工作，也就是在积分波形对应的Signal－Integrate相位开始工作时，TLC7135的BUSY信号处于高电平状态时，定时器T0才开始工作，并且定时器T0的TH0、TL0所记录的数据与TLC7135的测量脉冲（从积分波形Signal－Integrate相位开始工作到De－Integrate相位结束这一区间内的脉冲称为测量脉冲）满足某种比例关系。其系统连接如图5所示。

图5 TLC7135与单片机系统的连接

其中，Fosc为单片机系统固有的晶体振动频率；Ftime为定时器所用频率；Fale为单片机ALE的输出频率；Ficl为TLC7135所使用的输入信号频率，该频率可以通过Fale分频得到。N是分频比，对应12MHz晶振该系统中N应选为16。分频数可根据TLC7135的需求和单片机的时钟频率进行选择，在该系统中采用4分频工作，即选125kHz供TLC7135工作，这样可以确保定时器T0在对测量数字脉冲计数的过程中不会超出所规定的范围。如果运用分频数大于4的频率，那么需要通过编制软件进行改进。要得到A／D转换结果所对应的脉冲数可以使用所测量数字脉冲数目减去10001。该转换过程通常可采用软件编程的方式来完成。被测的模拟量完全可以通过A／D转换结果所得到的脉冲数来得到。分频过程是由12位同步二进制计数器CD4040完成的。该芯片由12级主从触发器构成，复位端高电平复位，共有引脚16个。该系统具有占用单片机端口线数少，能减少系统硬件资源的使用数量，并能改善系统的整体抗干扰能力，却不需要增加扩展口器件的使用，使系统的成本达到最低。

4 结束语

本文通过1线串行的方法读取TLC7135的模数转换结果。以TLC7135为核心，利用TLC7135进行A／D转换，最终在单片机的控制下通过LED显示转换结果，极大地简化了电路设计，该系统具有结构简单、编程简洁、占用单片机资源少等特点，为单片机功能扩展提供了更大空间。

[1] 陈尚松，雷加，郭庆.电子测量与仪器[M].北京：电子工业出版社，2005：152－214.

[2] 严仍友，汪仁煌.ICL7135的串行采集方式在单片机电压表中的应用[J].国外电子元器件，2003（9）：12－14.

[3] 赵徽存，黄进明.电子测量技术基础[M].重庆：重庆大学出版社，2004：34－55.

[4] 杨吉祥.电子测量技术基础[M].南京：东南大学出版社，1999：123－157.

[5] 高光天.模数转换器应用技术[M].北京：科学出版社，2001：105－132.