輸入輸出接口技術(shù)課件

1、第三章 輸入輸出接口技術(shù) 8/1/20221第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)本章主要內(nèi)容模擬量輸入接口模擬量輸出接口數(shù)字量輸入輸出接口8/1/20222第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通道概述8/1/20223第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)CPU外部設(shè)備數(shù)據(jù)狀態(tài)控制通常有三類信息：數(shù)據(jù)信息數(shù)字量模擬量開關(guān)量狀態(tài)信息控制信息8/1/20224第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)IO通道 模擬量輸入通道模擬量輸出通道數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸出通道 IO通道分為： 8/1/20225第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中通道技術(shù)一、前向通道的內(nèi)容與結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 作用：把生產(chǎn)過程中的模擬

2、量信息提供給計(jì)算機(jī)。 結(jié)構(gòu)類型：書上P458/1/20226第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)8/1/20227第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)二、前向通道設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題 前向通道必須考慮信號(hào)拾取、信號(hào)調(diào)節(jié)、A/D轉(zhuǎn)換、電源配置和防止干擾等問題。 1信號(hào)的拾取方式 ：通過敏感元件拾取被測(cè)信號(hào) 2、通過傳感器拾取被測(cè)信號(hào) 傳感器測(cè)量的輸出一般為電壓、電流或頻率量。 8/1/20228第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 電流輸出信號(hào)需轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后與A/D電路相連。 輸出頻率量傳感器精度高、抗干擾能力強(qiáng)，便于遠(yuǎn)距離傳送，它需采用特殊的轉(zhuǎn)換方法才能變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字量。 3、通過測(cè)量?jī)x表拾取被測(cè)信號(hào) 測(cè)量?jī)x

3、表采用標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)，如電壓信號(hào)為05V、5V、010V、2.5V等范圍，而電流信號(hào)則為420mA、010 mA等范圍，經(jīng)適當(dāng)處理后（如I/V變換、濾波）后可直接與A/D電路相連。 8/1/20229第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)2。信號(hào)的調(diào)節(jié)：信號(hào)放大與處理 任務(wù)：將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成滿足A/D電路要求的電平信號(hào)。包含小信號(hào)放大、濾波、零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、壓力補(bǔ)償、誤差修正、量程切換等信號(hào)處理電路。部分信號(hào)處理工作可由計(jì)算機(jī)軟件完成。 3模數(shù)轉(zhuǎn)換方式的選擇 V/F變換方式：將信號(hào)電壓變換為頻率量，由計(jì)算機(jī)或計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。 A/D轉(zhuǎn)換電路： 8/1/20221

4、0第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)4電源配置 考慮對(duì)傳感器、不同的信號(hào)調(diào)節(jié)電路中的芯片對(duì)電源的要求。 模擬輸入通道與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)系較緊，而且傳感器輸出信號(hào)較弱，電源配置時(shí)要充分考慮干擾的隔離與抑制。 5抗干擾措施 在信號(hào)的拾取與傳送過程中來自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的干擾因素很多，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)采用可靠的抗干擾措施，如隔離、濾波等。8/1/202211第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)第二節(jié)前向通道中的信號(hào)調(diào)節(jié)與信號(hào)調(diào)節(jié)器 前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如0-5VDC; 對(duì)單純的微弱信號(hào)，可用一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行單端同相放大或單端反相放大。如圖3-5所示，信號(hào)源的一端若接放大器的正端

5、為同相放大，同相放大電路的放大倍數(shù)G =1+R2/R1； 若信號(hào)源的一端接放大器的負(fù)端為反相放大，反相放大電路的放大倍數(shù)G =R2/R1。當(dāng)然，這兩種電路都是單端放大，所以信號(hào)源的另一端是與放大器的另一個(gè)輸入端共地。8/1/202212第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 圖3-5 放大電路 8/1/202213第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)測(cè)量放大器 在實(shí)際工程中,來自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器信號(hào)往往帶有較大的共模干擾， 而單個(gè)運(yùn)放電路的差動(dòng)輸入端難以起到很好的抑制作用。 因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一組運(yùn)放構(gòu)成的測(cè)量放大器，也稱儀表放大器，如圖所示。 經(jīng)典的測(cè)量放大器是由三個(gè)運(yùn)放組成的對(duì)稱結(jié)構(gòu)

6、，測(cè)量放大器的差動(dòng)輸入端VIN和VIN分別是兩個(gè)運(yùn)放A1、A2的同相輸入端，輸入阻抗很高，而且完全對(duì)稱地直接與被測(cè)信號(hào)相連，因而有著極強(qiáng)的抑制共模干擾能力。8/1/202214第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+負(fù)載(外接)外接地TUOV(外接)(a) 經(jīng)典的前置放大器前置放大器 8/1/202215第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 圖中RG是外接電阻，專用來調(diào)整放大器增益的。因此，放大器的增益G與這個(gè)外接電阻RG有著密切的關(guān)系。增益公式為 目前這種測(cè)量放大器的集成電路芯片有多種，如AD521/522、INA102等。8/1/202216第三

7、章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)可變?cè)鲆娣糯笃?在A/D轉(zhuǎn)換通道中，多路被測(cè)信號(hào)常常共用一個(gè)測(cè)量放大器，而各路的輸入信號(hào)大小往往不同，但都要放大到A/D轉(zhuǎn)換器的同一量程范圍。因此，對(duì)應(yīng)于各路不同大小的輸入信號(hào)，測(cè)量放大器的增益也應(yīng)不同。具有這種性能的放大器稱為可變?cè)鲆娣糯笃骰蚩删幊谭糯笃?，如圖。 8/1/202217第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)3A2A-NIN負(fù)載(外接)外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314630-+1AIV+可變?cè)鲆娣糯笃?/1/202218第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 把圖的外接

8、電阻RG換成一組精密的電阻網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)電阻支路上有一個(gè)開關(guān)，通過支路開關(guān)依次通斷就可改變放大器的增益，根據(jù)開關(guān)支路上的電阻值與增益公式，就可算得支路開關(guān)自上而下閉合時(shí)的放大器增益分別為2、4、8、16、32、64、128、256倍。顯然，這一組開關(guān)如果用多路模擬開關(guān)(類似CD4051)就可方便地進(jìn)行增益可變的計(jì)算機(jī)數(shù)字程序控制。此類集成電路芯片有AD612/614等。8/1/202219第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)三、隔離放大器特點(diǎn)：具有一般通用運(yùn)放的特性，信息傳遞是通過磁路和光路來實(shí)現(xiàn)作用：在輸入電路和輸出電路之間實(shí)現(xiàn)電隔離常用器件：Model277、ISO122/124程控增益運(yùn)算放大器作

9、用：在多通道或多參數(shù)的模擬輸入通道共用一個(gè)測(cè)量放大器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，對(duì)不同通道或參數(shù)改變測(cè)量放大器的增益。常用器件：可由測(cè)量放大器、模擬開關(guān)及電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，也可采用集成程控測(cè)量放大器，如PGA200/201、PGA102、PGA100、AD612/614等 8/1/202220第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)四、 多路模擬開關(guān)主要知識(shí)點(diǎn) 引言結(jié)構(gòu)原理擴(kuò)展電路8/1/202221第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)引言 由于計(jì)算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測(cè)參數(shù)的變化，因此一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個(gè)檢測(cè)回路使用，但計(jì)算機(jī)在某一時(shí)刻只能接收一個(gè)回路的信號(hào)。所以，必須通過多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)多選1的操作，將多路

10、輸入信號(hào)依次地切換到后級(jí)。 8/1/202222第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用的多路開關(guān)種類很多，并具有不同的功能和用途。如集成電路芯片CD4051(雙向、單端、8路)、CD4052(單向、雙端、4路)、AD7506(單向、單端、16路)等。所謂雙向，就是該芯片既可以實(shí)現(xiàn)多到一的切換，也可以完成一到多的切換；而單向則只能完成多到一的切換。雙端是指芯片內(nèi)的一對(duì)開關(guān)同時(shí)動(dòng)作，從而完成差動(dòng)輸入信號(hào)的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。8/1/202223第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)結(jié)構(gòu)原理 現(xiàn)以常用的CD4051為例，8路模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。CD4051由電平轉(zhuǎn)換、譯

11、碼驅(qū)動(dòng)及開關(guān)電路三部分組成。當(dāng)禁止端為“1”時(shí)，前后級(jí)通道斷開，即S0S7端與Sm端不可能接通；當(dāng)為“0”時(shí)，則通道可以被接通，通過改變控制輸入端C、B、A的數(shù)值，就可選通8個(gè)通道S0S7中的一路。比如：當(dāng)C、B、A=000時(shí)，通道S0選通；當(dāng)C、B、A=001時(shí)，通道S通；當(dāng)C、B、A = 111時(shí)，通道S7選通。其真值表如表3-1所示。8/1/202224第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)CD4051結(jié)構(gòu)原理圖 8/1/202225第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)8/1/202226第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)2 擴(kuò)展電路 當(dāng)采樣通道多至16路時(shí)，可直接選用16路模擬開關(guān)的芯片，也可以將2個(gè)8

12、路4051并聯(lián)起來，組成1個(gè)單端的16路開關(guān)。 例題3-1 試用兩個(gè)CD4051擴(kuò)展成一個(gè)116路的模擬開關(guān)。 8/1/202227第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)例題分析：圖給出了兩個(gè)CD4051擴(kuò)展為116路模擬開關(guān)的電路。數(shù)據(jù)總線D3D0作為通道選擇信號(hào)，D3用來控制兩個(gè)多路開關(guān)的禁止端。當(dāng)D3=0時(shí)，選中上面的多路開關(guān)，此時(shí)當(dāng)D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S0S7通道；當(dāng)D3=1時(shí)，經(jīng)反相器變成低電平，選中下面的多路開關(guān)，此時(shí)當(dāng)D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S8S15通道。如此，組成一個(gè)16路的模擬開關(guān)。8/1/202228第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)8

13、/1/202229第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)圖 用CD4051多路開關(guān)組成的16路模擬開關(guān)接線圖8/1/202230第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)五、 采樣保持器 當(dāng)某一通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由于A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，如果輸入信號(hào)變化較快，就會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)換誤差。為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，需要應(yīng)用采樣保持器。 1、數(shù)據(jù)采樣定理2、采樣保持器8/1/202231第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)1 數(shù)據(jù)采樣定理離散系統(tǒng)或采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)-把連續(xù)變化的量變成離 散量后再進(jìn)行處理的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的采樣形式-有周期采樣、多階采樣和隨機(jī)采樣。應(yīng)用最多的是周期采樣。8/1/202232第三章

14、計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)周期采樣-就是以相同的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，即把一個(gè)連續(xù)變化的模擬信號(hào)y(t)，按一定的時(shí)間間隔T 轉(zhuǎn)變?yōu)樵谒矔r(shí)0，T，2T，的一連串脈沖序列信號(hào) y*(t)，如圖所示。8/1/202233第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)采樣器的常用術(shù)語：采樣器或采樣開關(guān)-執(zhí)行采樣動(dòng)作的裝置，采樣時(shí)間或采樣寬度-采樣開關(guān)每次閉合的時(shí)間采樣周期T-采樣開關(guān)每次通斷的時(shí)間間隔 在實(shí)際系統(tǒng)中，T ，也就是說，可以近似地認(rèn)為采樣信號(hào)y*(t)是y(t)在采樣開關(guān)閉合時(shí)的瞬時(shí)值。圖 信號(hào)的采樣過程 8/1/202234第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 由經(jīng)驗(yàn)可知，采樣頻率越高，采樣信號(hào) y*(t)越接近原

15、信號(hào)y(t)，但若采樣頻率過高，在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中將會(huì)把許多寶貴的時(shí)間用在采樣上，從而失去了實(shí)時(shí)控制的機(jī)會(huì)。為了使采樣信號(hào)y*(t)既不失真，又不會(huì)因頻率太高而浪費(fèi)時(shí)間，我們可依據(jù)香農(nóng)采樣定理。8/1/202235第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)香農(nóng)定理指出：為了使采樣信號(hào)y*(t)能完全復(fù)現(xiàn)原信號(hào)y(t)，采樣頻率f 至少要為原信號(hào)最高有效頻率fmax的2倍，即f 2fmax。 采樣定理給出了y*(t)唯一地復(fù)現(xiàn)y(t)所必需的最低采樣頻率。實(shí)際應(yīng)用中，常取f （510）fmax。8/1/202236第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)采樣保持器 1、 零階采樣保持器-零階采樣保持器是在兩次采樣的間隔

16、時(shí)間內(nèi)，一直保持采樣值不變直到下一個(gè)采樣時(shí)刻。它的組成原理電路與工作波性如圖 (a)、(b)所示。 8/1/202237第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器A1、A2和采樣開關(guān)S、保持電容CH等組成。采樣期間，開關(guān)S閉合，輸入電壓VIN通過A1對(duì)CH快速充電，輸出電壓VOUT跟隨VIN變化；保持期間，開關(guān)S斷開，由于A2的輸入阻抗很高，理想情況下電容CH將保持電壓VC不變，因而輸出電壓VOUT=VC也保持恒定。8/1/202238第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)圖 采樣保持器8/1/202239第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 顯然，保持電容C H的作用十分重要。實(shí)際上保持

17、期間的電容保持電壓VC在緩慢下降，這是由于保持電容的漏電流所致。保持電壓VC的變化率為 式中：ID-為保持期間電容的總泄漏電流，它包括放大器的輸入電流、開關(guān)截止時(shí)的漏電流與電容內(nèi)部的漏電流等。電容CH值-增大電容CH值可以減小電壓變化率，但同時(shí)又會(huì)增加充電即采樣時(shí)間，因此保持電容的容量大小與采樣精度成正比而與采樣頻率成反比。一般情況下，保持電容CH是外接的，所以要選用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高質(zhì)量的電容器，容量為5101000pF。8/1/202240第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)2、零階集成采樣保持器常用的零階集成采樣保持器有AD582、LF198/298/398等。這里，用TTL邏輯電平控制

18、采樣和保持狀態(tài)，如AD582的采樣電平為“0”，保持電平為“1”，而LF198的則相反。圖39 集成采樣保持器 8/1/202241第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)3-3 前向通道中的A/D轉(zhuǎn)換與A/D轉(zhuǎn)換接口模擬量輸入接口（又稱為A/D通道）模擬量輸入接口的組成多路模擬切換開關(guān)前置放大器采樣保持器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）控制電路等A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)類似于D/A轉(zhuǎn)換器8/1/202242第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)在微機(jī)的各種接口中，完成外設(shè)信號(hào)到微機(jī)所需數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的，稱為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）器；完成微機(jī)輸出數(shù)字信號(hào)到外設(shè)所需信號(hào)轉(zhuǎn)換的，稱為數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換（D/A轉(zhuǎn)換）器。D/A轉(zhuǎn)換器（

19、Digital to Analog Converter）是一種能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電子器件；A/D轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter）則相反，它能把模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常要用到A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。它們的功能及在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的地位，如圖所示。8/1/202243第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)圖 單片機(jī)和被控實(shí)體間的接口示意返回本章首頁8/1/202244第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 3-3-1 A/D轉(zhuǎn)換器原理并行A/D轉(zhuǎn)換器n位則需2n-1個(gè)比較器，成本高，故只應(yīng)用于轉(zhuǎn)換速度要求極高的場(chǎng)合計(jì)數(shù)器式A/D轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)單、便宜，但每輸入一

20、個(gè)時(shí)鐘脈沖，計(jì)數(shù)器加（或減）1，故要逼近輸入值，需輸入許多個(gè)脈沖，因而轉(zhuǎn)換很慢。8/1/202245第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)1計(jì)數(shù)器式A/D轉(zhuǎn)換器 8/1/202246第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)原理：轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器和比較器組成。工作時(shí)，計(jì)數(shù)器由零開始計(jì)數(shù)，將其計(jì)數(shù)值送往DA轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將生成的模擬信號(hào)與輸入模擬信號(hào)在比較器內(nèi)進(jìn)行比較，若前者小于后者，則計(jì)數(shù)值加1，重復(fù)DA轉(zhuǎn)換及比較過程。當(dāng)這個(gè)信號(hào)值與輸出模擬量比較相等時(shí)（在允許的誤差范圍內(nèi)），比較器輸出一個(gè)停止計(jì)數(shù)信號(hào)給計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器立即停止計(jì)數(shù)。此時(shí)DA轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量就為模擬輸入值，計(jì)數(shù)器的值就是轉(zhuǎn)換成的相應(yīng)的數(shù)字量值。

21、8/1/202247第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 優(yōu)點(diǎn)：這種AD轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理清楚缺點(diǎn)：它的轉(zhuǎn)換速度與精度之間存在著嚴(yán)重矛盾。即若要轉(zhuǎn)換速度高，則轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的誤差就大，反之亦然。所以在實(shí)際中很少使用它。 8/1/202248第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)3-3-1 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器（1）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)是一種間接A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。模擬電壓先轉(zhuǎn)換成積分時(shí)間，然后轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)脈沖數(shù)，最后將代表模擬輸入電壓大小的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼輸出。轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要幾十毫秒。器件少、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、價(jià)格便宜，適用于非快速計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)或精度要求較高的地方。8/1

22、/202249第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 3-3-1 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器（2）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理先對(duì)模擬輸入電壓Vin進(jìn)行固定時(shí)間t1的正向積分，積分器的輸出電壓上升的速率與輸入電壓Vin成正比當(dāng)固定時(shí)間t1到后，計(jì)數(shù)器清零，對(duì)積分器進(jìn)行反向積分，并自動(dòng)按一定的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)。積分器的輸出電壓，從正向積分結(jié)束時(shí)的VI開始以恒定的斜率下降，當(dāng)反向積分使其積分器輸出為零時(shí)，關(guān)閉計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，完成一次A/D轉(zhuǎn)換工作。8/1/202250第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要幾十毫秒。優(yōu)點(diǎn)：器件少、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、價(jià)格便宜，適用于非快速計(jì)算機(jī)過程控制

23、系統(tǒng)或精度要求較高的地方。 8/1/202251第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 3-3-1 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器（3）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器示意圖控制邏輯計(jì)數(shù)器時(shí)鐘+比較器+積分器123積分電容VOVIK數(shù)據(jù)輸出VinVREF （基準(zhǔn)電壓）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的原理框圖t1VO t2tAVO t1t3tBtt1VI積分輸出 t2t3AB雙積分A/D的工作示意圖8/1/202252第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 3-3-1 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器（4）常用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器芯片MC144338/1/202253第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)3-3-1 逐位逼近法（1）逐位逼近式A/D的工作原理從SA

24、R輸出的數(shù)碼送至D/A，其輸出電壓Vf與模擬量輸入Vin 比較后，再控制SAR的數(shù)字逼近Vin模擬量輸入數(shù)字量輸出寄存器D/A轉(zhuǎn)換器逐位逼近寄存器（SAR）控制時(shí)序和邏輯電路比較器+Vf（反饋電壓） 逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖 D0D78/1/202254第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間固定缺點(diǎn)：抗干擾能力差 8/1/202255第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)例:四位A/D轉(zhuǎn)換器,滿刻度值5V,現(xiàn)若輸入3.5V模擬電壓,試分析其逐次逼近的轉(zhuǎn)換過程.解:量化單位q=5/24=0.3125V1000: 0.3125*23=2.5Vfs）的一系列粗糙量化數(shù)據(jù)，由后續(xù)的數(shù)字

25、抽取器計(jì)算出模擬信號(hào)所對(duì)應(yīng)的低取樣頻率fs的高分辯率數(shù)字信號(hào)。其實(shí)現(xiàn)主要基于過程取樣、-調(diào)制和數(shù)字濾波。抗混疊模擬濾波器-調(diào)制器數(shù)字濾波器低位數(shù)據(jù)流（1bit）輸入數(shù)字fs Fs模擬信號(hào)Fs高位數(shù)據(jù)流（16bit）模擬 -型A/D轉(zhuǎn)換器的組成框圖8/1/202257第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 3-2-1 -型A/D轉(zhuǎn)換器（2）-型A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7715價(jià)格便宜、分辨率高，不受噪聲環(huán)境的影響提供了一個(gè)增益為1、2、32、128倍可編程放大器，一個(gè)數(shù)字濾波器和一套自校準(zhǔn)電路所提供的系統(tǒng)功能要比常用的積分型A/D轉(zhuǎn)換器強(qiáng)，而且避免了必須提供一個(gè)高質(zhì)量積分電容的缺點(diǎn)是工業(yè)和過程控制應(yīng)用中的理想

26、器件8/1/202258第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)（1）分辨率 分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入信號(hào)變化的敏感程度。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位等。分辨率為n，表示它可以對(duì)滿刻度的1/ 2n的變化量作出反應(yīng)。即： 分辨率 = 滿刻度值/2n 量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的，提高分辨率，可減少量化誤差。二、A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)8/1/202259第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)2. 轉(zhuǎn)換精度 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指A/D的實(shí)際輸出接近于理想輸出精確程度。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度可以用絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差來表示。 所謂絕對(duì)誤差，是指

27、對(duì)應(yīng)于一個(gè)給定數(shù)字量A/D轉(zhuǎn)換器的誤差，其誤差的大小由實(shí)際模擬量輸入值和理論值之差來度量。絕對(duì)誤差包括增益誤差，零點(diǎn)誤差和非線性誤差等。 相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差與滿刻度值之比，一般用百分?jǐn)?shù)來表示，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器常用最低有效值的位數(shù)LSB（Least Significant Bit)）來表示，1LSB = 1 2n 。8/1/202260第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)一般來說，位數(shù)n越大，其相對(duì)誤差（或絕對(duì)誤差）越小。3. 轉(zhuǎn)換時(shí)間 A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。如逐位逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為微秒級(jí)，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級(jí)。8/1/202261第三章 計(jì)算

28、機(jī)輸入輸出接口技術(shù)例：一個(gè)12位A/D，輸入電壓范圍5V（1）分辨率？（2）能夠辨別的最小電壓？ 解：1） 2）50.0244*10-2=0.122*10-2 8/1/202262第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)量化誤差：由于用有限二進(jìn)制數(shù)字對(duì)模擬數(shù)值進(jìn)行離散取值（量化）而引起的誤差，用如下表示：8/1/202263第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)8/1/202264第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)三、數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換的應(yīng)用問題 孔徑誤差8/1/202265第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)例:一個(gè)十位的A/D轉(zhuǎn)換器誤差百分?jǐn)?shù)0.1%, 則允許轉(zhuǎn)換的正弦波模擬信號(hào)的最大頻率為多少?(16HZ) 8/1/

29、202266第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)五、常用 A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器與CPU的接口方式由它們之間數(shù)據(jù)傳輸方式?jīng)Q定并行接口和串行接口接口類型一般有三種，由A/D轉(zhuǎn)換器與CPU之間的聯(lián)系方式?jīng)Q定查詢法定時(shí)法中斷法8/1/202267第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)逐位逼近式A/D芯片介紹逐位逼近式A/D芯片品種很多，可滿足各種需要8位A/D轉(zhuǎn)換器芯片12位A/D轉(zhuǎn)換器芯片8/1/202268第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)1、 典型的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809 8/1/202269第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)1）8路8位AD轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。 3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100

30、s4）單個(gè)5V電源供電 5）模擬輸入電壓范圍05V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 6）工作溫度范圍為-4085攝氏度 7）低功耗，約15mW。 8/1/202270第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) AD轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到AD轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 1. A

31、DC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)8/1/202271第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)2. 引腳結(jié)構(gòu)ADC0809采用雙列直插式封裝，共有28條引腳。其引腳結(jié)構(gòu)如圖所示。 圖 ADC0809引腳圖8/1/202272第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)引腳結(jié)構(gòu) （1）IN7IN0：8條模擬量輸入通道 （2）地址輸入和控制線：4條 （3）數(shù)字量輸出及控制線：11條 （4）電源線及其他：5條 8/1/202273第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)各引腳功能如下： IN0IN7：8路模擬量輸入端。允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。上升沿時(shí)鎖存3位通道選擇信號(hào)。A、

32、B、C：3位地址線即模擬量通道選擇線。ALE為高電平時(shí)，地址譯碼與對(duì)應(yīng)通道選擇見表格 。START：?jiǎn)?dòng)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)，輸入，高電平有效。上升沿時(shí)將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，高電平有效。OE：輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。該信號(hào)用來打開三態(tài)輸出緩沖器，將A/D轉(zhuǎn)換得到的8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。D0D7：8位數(shù)字量輸出。D0為最低位，D7為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機(jī)數(shù)據(jù)總線直接相連。8/1/202274第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)CLOCK：外部時(shí)鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為640kHz時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s。VR+，VR-：基準(zhǔn)電壓

33、源正、負(fù)端。取決于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍，通常VR+ = 5V DC，VR- = 0V DC。Vcc：工作電源， 5VDC。GND：電源地。8/1/202275第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 表 被選通道和地址的關(guān)系CBA選中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN78/1/202276第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)ADC0809的內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)序圖 ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序8/1/202277第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)3AD574芯片介紹AD574A是一種高性能的12位逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為1/212 = 0.024%轉(zhuǎn)換時(shí)間為

34、25s,適合于在高精度快速采樣系統(tǒng)中使用內(nèi)部結(jié)構(gòu)大體與ADC0809類似，由12位A/D轉(zhuǎn)換器、控制邏輯、三態(tài)輸出鎖存緩沖器與10V基準(zhǔn)電壓源構(gòu)成，可以直接與主機(jī)數(shù)據(jù)總線連接，但只能輸入一路模擬量AD574A也采用28腳雙立直插式封裝8/1/202278第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 圖 3-17 AD574A原理框圖及引腳8/1/202279第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)各引腳功能如下：Vcc：工作電源正端，+12 VDC或+15 VDC。VEE：工作電源負(fù)端，12 VDC或15 VDC。VL：邏輯電源端，+5 VDC。雖然使用的工作電源為12VDC或15 VDC， 但數(shù)字量輸出及控制信號(hào)的

35、邏輯 電平仍可直接與TTL兼容。DGND，AGND：數(shù)字地，模擬地。REF OUT：基準(zhǔn)電壓源輸出端，芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源為+10.00 V1。REF IN：基準(zhǔn)電壓源輸入端，如果REF OUT通過電阻接至REF IN，則可用來調(diào)量程。8/1/202280第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) ：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，高電平表示正在轉(zhuǎn)換，低電平表示已轉(zhuǎn)換完畢。 DB0-DB11：12位輸出數(shù)據(jù)線，三態(tài)輸出鎖存，可與主機(jī)數(shù)據(jù)線直接相連。 CE：片能用信號(hào)，輸入，高電平有效。 ：片選信號(hào)，輸入，低電平有效。 R/ ：讀/轉(zhuǎn)換信號(hào)，輸入，高電平為讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，低電平為起動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。12/ ：數(shù)據(jù)輸出方式選擇信號(hào)

36、，輸入，高電平時(shí)輸出12位數(shù)據(jù)，低電平時(shí)與A0信號(hào)配合輸出高8位或低4位數(shù)據(jù)。12/ 不能用TTL電平控制，必須直接接至+5V(引腳1)或數(shù)字地(引腳15)。8/1/202281第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)A0：字節(jié)信號(hào)，在轉(zhuǎn)換狀態(tài)，A0為低電平可使AD574產(chǎn)生12位轉(zhuǎn)換，A0為高電平可使AD574產(chǎn)生8位轉(zhuǎn)換。在讀數(shù)狀態(tài)，如果12/ 為低電平，A0為低電平時(shí)，則輸出高8位數(shù)，而A0為高電平時(shí)，則輸出低4位數(shù)；如果12/ 為高電平，則A0的狀態(tài)不起作用。CE、 、R/ 、12/ 、 A0各控制信號(hào)的組合作用，列于下表:。注： 表示1或0都可以。8/1/202282第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口

37、技術(shù)8/1/202283第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 10VIN，20VIN，BIP OFF：模擬電壓信號(hào)輸入端。單極性應(yīng)用時(shí)，將BIP OFF接0 V，雙極性時(shí)接10 V。量程可以是10 V，也可以是20 V。輸入信號(hào)在10 V范圍內(nèi)變化時(shí)，將輸入信號(hào)接至10 VIN；在20V范圍內(nèi)變化時(shí)，接至20VIN。模擬輸入信號(hào)的幾種接法如表所示，相應(yīng)電路如圖所示。 表 模擬輸入信號(hào)的幾種接法8/1/202284第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)圖 AD574A的輸入信號(hào)連接方法 8/1/202285第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)六、 A/D轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)的連接及舉例 1 MCS-51和ADC0809的接

38、口2 MCS-51和ADC574的接口返回本章首頁8/1/202286第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)1 MCS-51和ADC0809的接口 ADC0809和8031的接線如圖所示。圖 ADC0809和8031接線圖8/1/202287第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)例 如圖所示，試用查詢和中斷兩種方式編寫程序，對(duì)IN5通道上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入內(nèi)部RAM20H單元。解：中斷方式程序清單：ORG0000HMOVDPTR，#7FF5HMOVXDPTR，A；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換SETBEASETBEX1；開外中斷1SETBIT1；外中斷請(qǐng)求信號(hào)為下跳沿觸發(fā)方式LOOP：SJMPLOOP；等待中斷

39、END8/1/202288第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)中斷服務(wù)程序：ORG0013H；外中斷1的入口地址LJMP1000H；轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序的入口地址ORG1000HMOVXA，DPTR；讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)MOV20H，A；存儲(chǔ)數(shù)據(jù)RETI；中斷返回8/1/202289第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)查詢方式程序清單：ORG0000HMOVDPTR，#7FF5HMOVXDPTR，A；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換LOOP：JBP3.3，LOOP；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束MOVXA，DPTR；讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)MOV20H，A；存儲(chǔ)數(shù)據(jù)END8/1/202290第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)例 如圖所示，試編程對(duì)8個(gè)模擬通道

40、上的模擬電壓進(jìn)行一遍數(shù)字采集，并將采集結(jié)果送入內(nèi)部RAM以30H單元為始地址的輸入緩沖區(qū)。圖 8031和ADC0809的接口8/1/202291第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)解：從圖中可以看出，接線方式為中斷方式。ADDA、ADDB和ADDC三端接8031的P0.0 、P0.1 和P0.2，故通道號(hào)是通過數(shù)據(jù)線來選擇。程序清單：ORG0000HMOVR0，#30H；數(shù)據(jù)區(qū)始地址送R0MOVR7，#08H；通道數(shù)送R7MOVR6，#00H；IN0地址送R6MOVIE，#84H；開中斷SETBIT1；外中斷請(qǐng)求信號(hào)為下跳沿觸發(fā)方式MOVR1，#0F0H；送端口地址到R1MOVA，R6；IN0地址送

41、AMOVXR1，A；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換LOOP：SJMPLOOP；等待中斷END8/1/202292第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)中斷服務(wù)程序：ORG0013H；外中斷1的入口地址AJMP1000H；轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序的入口地址ORG1000HMOVXA，R1；讀入A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)MOVR0，A；將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)區(qū)INCR0；數(shù)據(jù)區(qū)指針加1INCR6；模擬通道號(hào)加1MOVA，R6；新的模擬通道號(hào)送AMOVXR1，A；啟動(dòng)下一通道的A/D轉(zhuǎn)換DJNZR7，LOOP1；8路采樣未結(jié)束，則轉(zhuǎn)向LOOP1CLREX1；8路采樣結(jié)束，關(guān)中斷LOOP1：RETI；中斷返回返回本節(jié)8/1/202293第三章 計(jì)

42、算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)2. 8031和AD574的接口圖表示出了AD574與8031單片機(jī)的接口電路。 8/1/202294第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)圖 單極性輸入電路8/1/202295第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)例 在圖 中，試編寫程序，使AD 574進(jìn)行12位A/D轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)字量存入內(nèi)部20H和21H單元。設(shè)20H單元存放高8位，21H單元存放低4位。解：程序清單如下：ORG0000H MOVR0，#20H；數(shù)據(jù)區(qū)首址MOVDPTR，#0FF7CH MOVXDPTR，A；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換8/1/202296第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)LOOP：JBP1.0，LOOP；

43、轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，未結(jié)束，等待MOVDPTR，#0FF7DHMOVXA，DPTR；讀高8位數(shù)據(jù)MOVR0，A；存高8位數(shù)據(jù)INCDPTRINCDPTRMOVXA，DPTR；讀低4位數(shù)據(jù)ANLA，#0FH；屏蔽高4位隨機(jī)數(shù)INCR0MOVR0，A；存低4位數(shù)據(jù)END8/1/202297第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)第四節(jié)模擬量輸出通道及D/A轉(zhuǎn)換器8/1/202298第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)本節(jié)主要內(nèi)容D/A轉(zhuǎn)換器原理及器件D/A轉(zhuǎn)換器與CPU的連接8/1/202299第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)模擬量輸出通道的任務(wù)-把計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量電壓或電流信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器，

44、從而達(dá)到控制的目的; 模擬量輸出通道(稱為D/A通道或AO通道)構(gòu)成-一般是由接口電路、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱D/A或DAC)和電壓/電流變換器等;模擬量輸出通道基本構(gòu)成-多D/A結(jié)構(gòu)（圖 (a)）和共享D/A結(jié)構(gòu)（圖(b)） 8/1/2022100第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)圖接口電路通道1通道nD/AD/AV/IV/I(a) 多D/A結(jié)構(gòu)PC總線特點(diǎn)：1、一路輸出通道使用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器 2、 D/A轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部一般都帶有數(shù)據(jù)鎖存器 3、 D/A轉(zhuǎn)換器具有數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)、信號(hào)保持作用 4、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，精度較高、通道獨(dú)立 5、 缺點(diǎn)是所需D/A轉(zhuǎn)換器芯片較多8/1

45、/2022101第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)接口電路通道1通道nD/AV/IV/I多路開關(guān)采樣保持器采樣保持器（b）共享D/A結(jié)構(gòu)PC總線圖 特點(diǎn)：1、多路輸出通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器 2、每一路通道都配有一個(gè)采樣保持放大器 3、 D/A轉(zhuǎn)換器只起數(shù)字到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換作用 4、采樣保持器實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)保持功能 5、節(jié)省D/A轉(zhuǎn)換器，但電路復(fù)雜，精度差，可靠低、占用主機(jī)時(shí)間 8/1/2022102第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)二、 D/A轉(zhuǎn)換器工作原理1、并行D/A轉(zhuǎn)換器工作原理8/1/2022103第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)1、并行D/A轉(zhuǎn)換器工作原理現(xiàn)以 4 位 D/A 轉(zhuǎn)換器為例說明其

46、工作原理，如圖 所示。8/1/2022104第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 假設(shè)D3、D2、D1、D0全為1，則BS3、BS2、BS1、BS0全部與“1”端相連。根據(jù)電流定律，有：8/1/2022105第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 由于開關(guān) BS3 BS0 的狀態(tài)是受要轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù) D3、D2、D1、D0 控制的，并不一定全是“1”。因此，可以得到通式：8/1/2022106第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)考慮到放大器反相端為虛地，故：選取 Rfb = R ，可以得到： 結(jié)論：由上述推導(dǎo)可見，輸出電壓除了與輸入的二進(jìn)制數(shù)有關(guān)，還與運(yùn)算放大器的反饋電阻 Rfb以及基準(zhǔn)電壓VREF有關(guān)。8/1/

47、2022107第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)對(duì)于 n 位 D/A 轉(zhuǎn)換器，它的輸出電壓VOUT與輸入二進(jìn)制數(shù)B( Dn-1 D0) 的關(guān)系式可寫成：8/1/2022108第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)三、常用 D/A轉(zhuǎn)換器及其與CPU的連接8/1/2022109第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo) D/A轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)是衡量芯片質(zhì)量的重要參數(shù)，也是選用D/A芯片型號(hào)的依據(jù)。主要性能指標(biāo)有： （1）分辨率 （2）轉(zhuǎn)換精度 （3）偏移量誤差 （4）穩(wěn)定時(shí)間8/1/2022110第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)（1）分辨率 分辨率-是指 D/A 轉(zhuǎn)換器能分辨的最小輸出模擬增量，即當(dāng)輸入

48、數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時(shí)所對(duì)應(yīng)輸出模擬量的變化量，它取決于能轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制位數(shù)，數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率也就越高 。其分辨率與二進(jìn)制位數(shù)n呈下列關(guān)系：分辨率 = 滿刻度值/（2n-1）=VREF / 2n8/1/2022111第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)（2）轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度-是指轉(zhuǎn)換后所得的實(shí)際值和理論值的接近程度。它和分辨率是兩個(gè)不同的概念。例如，滿量程時(shí)的理論輸出值為10V，實(shí)際輸出值是在9.99V10.01V之間，其轉(zhuǎn)換精度為10mV。對(duì)于分辨率很高的D/A轉(zhuǎn)換器并不一定具有很高的精度。8/1/2022112第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) （3）偏移量誤差 偏移量誤差-是指輸入數(shù)字量時(shí)，

49、輸出模擬量對(duì)于零的偏移值。此誤差可通過D/A轉(zhuǎn)換器的外接VREF和電位器加以調(diào)整。8/1/2022113第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)（4）穩(wěn)定時(shí)間 穩(wěn)定時(shí)間-是描述D/A轉(zhuǎn)換速度快慢的一個(gè)參數(shù)，指從輸入數(shù)字量變化到輸出模擬量達(dá)到終值誤差1/2LSB時(shí)所需的時(shí)間。顯然，穩(wěn)定時(shí)間越大，轉(zhuǎn)換速度越低。對(duì)于輸出是電流的D/A轉(zhuǎn)換器來說，穩(wěn)定時(shí)間是很快的，約幾微秒，而輸出是電壓的D/A轉(zhuǎn)換器，其穩(wěn)定時(shí)間主要取決于運(yùn)算放大器的響應(yīng)時(shí)間。8/1/2022114第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)1. 8位DAC0832芯片主要知識(shí)點(diǎn) (1) DAC0832性能 （2） DAC0832 工作原理 （3） DAC0

50、832 管腳功能 8/1/2022115第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)（1） DAC0832性能一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器電流輸出方式穩(wěn)定時(shí)間為1s采用20腳雙立直插式封裝同系列芯片還有 DAC0830、DAC08318/1/2022116第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)（2） DAC0832工作原理8/1/2022117第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) DAC0832的原理框圖及引腳如圖所示。DAC0832主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路四部分組成。8 位輸入寄存器用于存放主機(jī)送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制；8位DAC寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的

51、數(shù)字量，由加以控制；8位D/A轉(zhuǎn)換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流；由與門、非與門組成的輸入控制電路來控制2個(gè)寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。8/1/2022118第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)DI0DI7：數(shù)據(jù)輸入線，其中DI0為最低有效位LSB ，DI7為 最高有效位MSB。CS：片選信號(hào)，輸入線，低電平有效。WR1：寫信號(hào)1，輸入線，低電平有效。ILE：輸入允許鎖存信號(hào)，輸入線，高電平有效 當(dāng)ILE、和同時(shí)有效時(shí)，8位輸入寄存器端為高電平1，此時(shí)寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D的電平變化；反之，當(dāng)端為低電平0時(shí)，原D 端輸入數(shù)據(jù)被鎖存于Q端，在此期間D端電平的變化不影響Q端。 （3） DAC0832管

52、腳功能8/1/2022119第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)XFER(Transfer Control Signal):傳送控制信號(hào)，輸入線， 低電平有效。IOUT1：DAC電流輸出端1，一般作為運(yùn)算放大器差動(dòng)輸入信號(hào)之一。IOUT2：DAC電流輸出端2，一般作為運(yùn)算放大器另一個(gè)差動(dòng)輸入信號(hào)。 Rfb：固化在芯片內(nèi)的反饋電阻連接端，用于連接運(yùn)算放大器的輸出端。 VREF：基準(zhǔn)電壓源端，輸入線，10 VDC 10 VDC。 VCC：工作電壓源端，輸入線，5 VDC 15 VDC。8/1/2022120第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 當(dāng)WR2和XFER同時(shí)有效時(shí)，8位DAC寄存器端為高電平“1”，此

53、時(shí)DAC寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D也就是輸入寄存器Q端的電平變化；反之，當(dāng)端為低電平“0”時(shí)，第一級(jí)8位輸入寄存器Q端的狀態(tài)則鎖存到第二級(jí)8位DAC寄存器中，以便第三級(jí)8位DAC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。 一般情況下為了簡(jiǎn)化接口電路，可以把和直接接地，使第二級(jí)8位DAC寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級(jí)8位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個(gè)寄存器都分別接成受控方式。 8/1/2022121第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)(3）DAC0832輸出方式 2.3.1 電壓輸出方式 2.3.2 電流輸出方式 2.3.3 自動(dòng)/手動(dòng)輸出方式引言8/1

54、/2022122第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)引 言 多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出的是弱電流信號(hào)，要驅(qū)動(dòng)后面的自動(dòng)化裝置，需在電流輸出端外接運(yùn)算放大器。根據(jù)不同控制系統(tǒng)自動(dòng)化裝置需求的不同，輸出方式可以分為電壓輸出、電流輸出以及自動(dòng)/手動(dòng)切換輸出等多種方式。8/1/2022123第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 電壓輸出方式 由于系統(tǒng)要求不同，電壓輸出方式又可分為單極性輸出和雙極性輸出兩種形式。下面以8位的DAC0832芯片為例作一說明。 8/1/2022124第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)圖 D/A轉(zhuǎn)換單極性輸出方式 8/1/2022125第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)DAC單極性輸出 式中：VRE

55、F/256是常數(shù) 顯然，VOUT和 B 成正比關(guān)系，輸入數(shù)字量 B 為 00H 時(shí)，VOUT也為 0 ；輸入數(shù)字量 B 為FFH即255時(shí)，VOUT 為與 VREF 極性相反的最大值。 DAC單極性輸出方式如圖 所示，可得輸出電壓VOUT的單極性輸出表達(dá)式為：8/1/2022126第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換雙極性輸出方式 8/1/2022127第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)A1 和 A2 為運(yùn)算放大器，A點(diǎn)為虛地，故可得： 解上述方程可得雙極性輸出表達(dá)式： (2-3) 圖中運(yùn)放 A2 的作用是將運(yùn)放 A1 的單向輸出變?yōu)殡p向輸出。當(dāng)輸入數(shù)字量小于 80 H即128時(shí)，輸出模擬電壓

56、為負(fù)；當(dāng)輸入數(shù)字量大于 80 H即128時(shí)，輸出模擬電壓為正。其它n位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電路與DAC0832 相同，計(jì)算表達(dá)式中只要把 28-1改為2n-1即可。 或8/1/2022128第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)（1） DAC1210性能 DAC1210-是一個(gè)12位D/A轉(zhuǎn)換器，電流輸出方式，其結(jié)構(gòu)原理與控制信號(hào)功能基本類似于 DAC0832。由于它比 DAC0832多了4條數(shù)據(jù)輸入線，故有24條引腳，DAC 1210內(nèi)部原理框圖如圖所示，其同系列芯片DAC1208、DAC1209可以相互代換。（2） 12位轉(zhuǎn)換器芯片DAC12108/1/2022129第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)圖

57、 DAC1210原理框圖及引腳 鏈接動(dòng)畫8/1/2022130第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)（2） DAC1210工作原理DAC1210內(nèi)部有三個(gè)寄存器： 一個(gè)8位輸入寄存器，用于存放12位數(shù)字量中的高8位DI11DI4；一個(gè)4位輸入寄存器，用于存放12位數(shù)字量中的低4位DI3 DI0； 一個(gè)12位DAC寄存器，存放上述兩個(gè)輸入寄存器送來的12位數(shù)字量； 12位D/A轉(zhuǎn)換器用于完成12位數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。 由與門、非與門組成的輸入控制電路來控制3個(gè)寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。其中引腳（片選信號(hào)、低電平有效）、（寫信號(hào)、低電平有效）和BYTE1/（字節(jié)控制信號(hào)）的組合， 用來控制 8 位輸入寄存器和 4

58、 位輸入寄存器。8/1/2022131第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 當(dāng)CS、WR1為低電平“0”，BYTE1/為高電平“1”時(shí)，與門的輸出LE1、LE2為“1”，選通 8 位和 4 位兩個(gè)輸入寄存器，將要轉(zhuǎn)換的12位數(shù)據(jù)全部送入寄存器；當(dāng)BYTE1/為低電平“0”時(shí)，LE1為“0”，8位輸入寄存器鎖存剛傳送的 8 位數(shù)據(jù)，而LE2仍為“1”，4 位輸入寄存器仍為選通，新的低 4 位數(shù)據(jù)將刷新剛傳送的 4 位數(shù)據(jù)。因此，在與計(jì)算機(jī)接口電路中，計(jì)算機(jī)必須先送高 8 位后送低 4 位。XFER(傳送控制信號(hào)、低電平有效)和WR2(寫信號(hào)、低電平有效)用來控制 12 位DAC寄存器，當(dāng)XFER和WR2同為低電平“0”時(shí)，與門輸出LE3為“1”，12 位數(shù)據(jù)全部送入DAC寄存器，當(dāng)XFER和WR2有一個(gè)為高電平“1”時(shí)，與門輸出LE3即為“0”，則12位DAC寄存器鎖存住數(shù)據(jù)使12位D/A轉(zhuǎn)換器開始數(shù)摸轉(zhuǎn)換。 8/1/2022132第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù)與8位DAC0832的2點(diǎn)區(qū)別分辨率為12位，有12條數(shù)據(jù)輸入線（DI0DI11），采用24腳雙立直插式封裝。可用字節(jié)控制信號(hào)BYTE1/2控制數(shù)據(jù)的輸入該信號(hào)為高電平時(shí)，12位數(shù)據(jù)（DI0DI11）同時(shí)存入第一級(jí)的兩個(gè)輸入寄存器；當(dāng)該信號(hào)為低電平時(shí)，只將低4位數(shù)據(jù)（DI0DI3）存入低4位輸入寄存器。