本文以TI公司的10位串行A/D芯片TLC1549為例，設計具有多通道高精度數據采集系統。
A/D轉換在電子測控系統中被廣泛使用，溫度、壓力等非電量的測量，電壓、電流等電量的測量，一般都是通過單片機(或其他控制芯片)控制A/D轉換實現。在轉換速度要求不是太高的情況下，一般都采用串行A/D芯片，占用單片機的口線資源少，串行擴展式測控系統是當今的發展趨勢。但串行A/D芯片的模擬通道少，不能滿足多路信號的測量.
1 系統方案設計
數據的采集有兩種方法實現：A/D轉換和V/F轉換。從轉換方式上，A/D轉換又分為積分A/D轉換器和逐次逼近式A/D轉換器等;從接口形式上又分為并行A/D和串行A/D。V/F轉換是將電壓信號轉換為頻率信號，然后測出頻率再計算出物理量，它需要用計數器來測量頻率，只適合信號較少的場合。
目前在以單片機為核心的測量控制系統中，A/D，D/A、存儲器等功能部件流行串行接口，可供選擇串行接口芯片的種類也日益增多。本課題采用10位串行A/D芯片TLC1549，它是一款單通道逐次逼近A/D芯片，本課題通過提升它的測量分辨率，使之達到12位的精度，用電子開關擴展輸入通道，使其能對八路信號進行數據采集。
1.1 提升A/D分辨率方法
圖1是提升A/D分辨率的原理電路，其原理是通過調整其轉換的參考電壓，并將輸入信號分檔處理，從而提高測量轉換的分辨率。
如參考電壓設為5 V時，對5 V滿量程轉換，分辨率為：d=5/1 024;如果將參考電壓設置為2.5 V，對2.5 V滿量程轉換，分辨率為：d=2.5/1 024。顯然后一種情況A/D轉換的精度高，是前者的一倍，測量精度達到11位，即將10位的A/D芯片提升到11位A/D的分辨率。以此類推，10位的A/D芯片也可以設計成達到12位A/D分辨率。從圖1可以看出，只要能對輸入的信號進行分檔處理，使輸入到A/D芯片的電壓信號小于等于1.25 V，將A/D轉換的參考電壓也設置為1.25 V，則10位A/D轉換精度可以達到12位。
1.2 八通道12位數據采集器原理圖
TLC1549只有一路模擬量輸入通道，為達到設計八個通道要求，通過八選一模擬電子開關擴展其八路通道，本系統用TLC1549設計的八路數據采集器原理框圖如圖2所示，包括模擬電子開關、量程分檔處理、10位串行A/D、顯示電路、單片機系統五部分。
2 系統硬件電路設計
2.1 電子開關電路設計
圖3為模擬電子開關設計的八路A/D輸入通道。模擬電子開關采用CD4051。CD4051是八選一電子開關，圖4為其引腳圖。A0～A7為八路輸入端，A為開關輸出端，E為芯片使能引腳，VEE是負電源，VCC為正電源，GND為電源地，S0～S2為八路開關選擇控制。由于CD4051的電子開關導通時有100 Ω左右的電阻，為消除開關電阻對輸入信號的影響，選通的信號通過跟隨器再送給后面的電路，同時提高輸入通道的輸入阻抗。820 kΩ電阻是為了消除通道懸空時跟隨器不穩定輸出。本系統中采用AT89S51單片機，通道切換通過單片機P1.0～P1.2口分別控制CD4051的S0～S2引腳，選擇其中一路電子開關接通。
2.2 量程分檔處理電路設計
2.2.1 量程切換電路
圖5為量程切換電路。將電子開關輸出的模擬電壓分別通過跟隨器和三個減法運算電路，減法器的反向輸入端分別加固定電壓：1.25 V，2.5 V，3.75 V。可以得到四組電壓輸出信號：V，V-1.25，V-2.5，V-3.75的電壓，分別加到模擬電子開關的四個輸入端，電子開關仍然用CD4051，在輸入信號0～5 V變換過程中，上述四組信號中，必有一組信號在0～1.25 V間，通過對電子開關的控制，使該組信號通過電子開關，再經過跟隨器送給A/D芯片進行A/D轉換。由于只有4路信號切換，將CD4051的S2接地，S0，S1分別用單片機P1.3，P1.4口控制。選擇哪路信號作為A/D轉換信號，可以通過圖6所示的量程判別電路，用單片機口檢測。
2.2.2 量程判別電路
圖6為量程判別電路。三個比較器的基準分別取1.25 V，2.5 V，3.75 V，當輸入電壓大于基準時比較器輸出高電平，否則輸出低電平，將比較器的輸出分別送給單片機的P1.5，P1.6，P1.7口檢測。
2.3 顯示電路的設計
顯示電路采用LCM103，LCM103為10位多功能通用型八段式液晶顯示，模塊內含看門狗(WDT)/時鐘發生器，內置顯示RAM，其接口電路如圖7所示。CS，RD，WR，DATA分別用P2.0～P2.3口控制，最高位顯示通道號，后面4位顯示數字量，空一位，最低4位顯示電壓值，顯示每秒刷新一次。
2.4 串行A/D接口電路的設計
串行A/D接口電路采用的TLC1549，它是一個10位的逐次逼近式A/D芯片，其接口電路如圖8所示。參考電壓接1.25 V，可以將1.25 V以下的模擬量轉換10位的數字量，轉換的分辨率與5 V轉換為12位數字量的分辨率相同，實現了由低分辨率A/D進行高分辨率的A/D轉換。實際的轉換結果與選擇的量程有關，設A/D轉換結果的結果為X，則四種狀況的實際結果分別為：
X，被測信號<1.25 V，A0接通;
X+1 024，1.25 V≤被測信號<2.5 V，A1接通;
X+2 048，2.50 V≤被測信號<3.75 V，A2接通;
X+3 072，被測信號≥3.75 V，A3接通。
2.5 單片機系統及電源電路的設計
單片機選擇AT89S51單片機，不采用擴展電路，直接用單片機的輸入輸出口線控制外圍接口電路。取系統的晶振蕩頻率為12 MHz，機器周期為1μs。程序存儲器空間采用單片機內部的程序存儲器。
電源電路由運算放大器構成的減法器等模擬信號處理電路組成，原理上有負電壓輸出，系統電源應有正負電源，取±12 V，單片機系統需要的+5 V電源由+6 V經LM7805穩壓得到。采用初級是220 V次級輸出雙12 V的電源變壓器降壓，經過橋式整流、濾波，通過LM7812，LM7912三端穩壓塊穩壓，得到±12 V電源。
3 系統軟件設計
圖9為設計的A/D轉換程序流程圖。
4 結語
本設計通過利用10位的串行A/D芯片TLC1549，通過精度提升的方法實現12位A/D轉換;控制TLC1549的參考電壓和切換輸入模擬信號的幅度實現;用CD4051模擬電子開關實現了對串行A/D芯片的輸入通道擴展，進而實現了高精度多路數據采集。