第二章 輸入輸出接口及通道4

1、2 I/O接口技術和接口技術和I/O通道通道n2.1 概述概述n2.2 I/O控制方式控制方式n2.3 I/O接口設計接口設計n2.4 I/O通道通道n2.5 D/A轉換器轉換器n2.6 A/D轉換器轉換器22.6 A/D轉換器轉換器n2.6.1 分類分類n2.6.2 主要技術參數(shù)主要技術參數(shù)n2.6.3 ADC0809及其接口電路及其接口電路n本章小結本章小結2.6.1 分類分類 1）逐位逼近式）逐位逼近式 2）雙積分式）雙積分式 3）計數(shù)器式）計數(shù)器式41 1）逐位逼近式）逐位逼近式5再對下一位再對下一位D D2 2進行比較，同樣先使進行比較，同樣先使D D2 2 1 1，與上一位，與上一

2、位D D3 3位一起即位一起即11001100進入進入D/AD/A轉換器，轉換為轉換器，轉換為V VO O 12 12再進入比較器，與再進入比較器，與V VININ 9 9比比較，因較，因V VININ V VO O，則使，則使D D2 2 0 0；當啟動信號作用后，時鐘信號在控制邏輯作用下，當啟動信號作用后，時鐘信號在控制邏輯作用下，首先使寄存器的最高位首先使寄存器的最高位D D3 3 1 1，其余為，其余為0 0， 此數(shù)字量此數(shù)字量10001000經(jīng)經(jīng)D/AD/A轉轉換器轉換成模擬電壓即換器轉換成模擬電壓即V VO O 8 8，送到比較器輸入端與被轉換的模，送到比較器輸入端與被轉換的模擬量

3、擬量V VININ = 9 = 9進行比較，控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進行判斷。當進行比較，控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進行判斷。當V VININ V VO O，則保留，則保留D D3 3 = 1 = 1；最后一位最后一位D D0 0 1- 1-即即10011001經(jīng)經(jīng)D/AD/A轉換為轉換為V VO O 9 9，再與，再與V VININ 9 9比較，比較，因因V VININ V VO O，保留，保留D D0 0 1 1。比較完畢，寄存器中的數(shù)字量。比較完畢，寄存器中的數(shù)字量10011001即即為模擬量為模擬量9 9的轉換結果，存在輸出鎖存器中等待輸出。的轉換結果，存在輸出鎖存器中等待輸出。再下一位

4、再下一位D D1 1位也是如此，位也是如此，D D1 1 1 1即即10101010，經(jīng)，經(jīng)D/AD/A轉換為轉換為V VO O = 10 = 10，再與再與V VININ 9 9比較，因比較，因V VININ V VO O，則使，則使D D1 1 0 0；6例：四位例：四位A/D轉換器，滿刻度值為轉換器，滿刻度值為5V，現(xiàn)若輸入，現(xiàn)若輸入3.5V模擬電壓，模擬電壓，試分析其逐次逼近的轉換過程。試分析其逐次逼近的轉換過程。VVq3125. 0254VV5 . 223125. 03當最高位置當最高位置1時，對應轉換模擬電壓值為時，對應轉換模擬電壓值為量化單位量化單位課后第課后第11題。題。72）

5、雙積分式）雙積分式8轉換原理：在轉換開始信號控制下，開關接通模擬輸入端，輸入轉換原理：在轉換開始信號控制下，開關接通模擬輸入端，輸入的模擬電壓的模擬電壓V VININ在固定時間在固定時間T T內(nèi)對積分器上的電容內(nèi)對積分器上的電容C C充電（正向積充電（正向積分），時間一到，控制邏輯將開關切換到與分），時間一到，控制邏輯將開關切換到與V VININ極性相反的基準電極性相反的基準電源上，此時電容源上，此時電容C C開始放電（反向積分），同時計數(shù)器開始計數(shù)。開始放電（反向積分），同時計數(shù)器開始計數(shù)。當比較器判定電容當比較器判定電容C C放電完畢時就輸出信號，由控制邏輯停止計數(shù)放電完畢時就輸出信號，由

6、控制邏輯停止計數(shù)器的計數(shù)，并發(fā)出轉換結束信號。這時計數(shù)器所記的脈沖個數(shù)正器的計數(shù)，并發(fā)出轉換結束信號。這時計數(shù)器所記的脈沖個數(shù)正比于放電時間。比于放電時間。 放電時間放電時間T T1 1或或T T2 2又正比于輸入電壓又正比于輸入電壓V VININ，即輸入電壓大，則放，即輸入電壓大，則放電時間長，計數(shù)器的計數(shù)值越大。因此，計數(shù)器計數(shù)值的大小反電時間長，計數(shù)器的計數(shù)值越大。因此，計數(shù)器計數(shù)值的大小反映了輸入電壓映了輸入電壓V VININ在固定積分時間在固定積分時間T T內(nèi)的平均值。內(nèi)的平均值。 此種此種A/DA/D轉換器的常用品種有輸出為轉換器的常用品種有輸出為3 3位半位半BCDBCD碼（二進

7、制編碼的十進制數(shù)）碼（二進制編碼的十進制數(shù)）的的ICL7107ICL7107、MC14433MC14433、輸出為、輸出為4 4位半位半BCDBCD碼的碼的ICL7135ICL7135等。等。應用場合：信號變化緩慢、模擬量輸入速率要求較低，轉換精度應用場合：信號變化緩慢、模擬量輸入速率要求較低，轉換精度要求較高和現(xiàn)場干擾較嚴重的情況下。要求較高和現(xiàn)場干擾較嚴重的情況下。優(yōu)點：消除干擾和電源噪聲能力強，精度高；缺點：轉換速度慢。優(yōu)點：消除干擾和電源噪聲能力強，精度高；缺點：轉換速度慢。9 分辨率是指分辨率是指A/D轉換器對微小輸入信號變化的敏感程度。分轉換器對微小輸入信號變化的敏感程度。分辨率越

8、高，轉換時對輸入量微小變化的反應越靈敏。通常用數(shù)字辨率越高，轉換時對輸入量微小變化的反應越靈敏。通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如量的位數(shù)來表示，如8位、位、10位、位、12位等。若分辨率為位等。若分辨率為n，則：，則：1）分辨率）分辨率分辨率分辨率= =滿量程滿量程/ /2 2n n 2.6.2 主要技術參數(shù)主要技術參數(shù)10相對精度相對精度用相對于滿量程的百分比來表示。用相對于滿量程的百分比來表示。2）轉換精度）轉換精度- -轉換后所得結果相對于實際值的準確度轉換后所得結果相對于實際值的準確度A/DA/D轉換器的轉換精度可以用轉換器的轉換精度可以用絕對精度絕對精度和和相對精度相對精度來表示。來表示

9、。絕對精度絕對精度，常用數(shù)字量的位數(shù)表示，常用數(shù)字量的位數(shù)表示，LSB/2 LSB/2 。最低有效值的位最低有效值的位數(shù)數(shù)LSBLSB（Least Significant Bit)Least Significant Bit)來表示，來表示，1LSB = V1LSB = VREFREF/ 2/ 2n n 。例如，對于一個例如，對于一個8位位05V的的A/D轉換器，求其分辨率、絕對誤差和轉換器，求其分辨率、絕對誤差和相對百分誤差。相對百分誤差。分辨率為：分辨率為：mVVVFS5 .19256528絕對誤差為：絕對誤差為：mV5 .192565258相對誤差為：相對誤差為：%39. 0%100256

10、1%10021811 A/D A/D轉換器完成一次轉換所需的時間稱為轉換時間。如轉換器完成一次轉換所需的時間稱為轉換時間。如逐位逼近式逐位逼近式A/D A/D 轉換器的轉換時間為微秒級，雙積分式轉換器的轉換時間為微秒級，雙積分式A/DA/D轉換器的轉換時間為毫秒級。轉換器的轉換時間為毫秒級。3）轉換時間）轉換時間課后第課后第12題。題。122.6.3 ADC0809及其接口電路及其接口電路n 1）ADC0809芯片介紹芯片介紹n 2）ADC0809應用舉例應用舉例 131） ADC0809芯片介紹芯片介紹8 8位逐次逼近式位逐次逼近式A/DA/D轉換器；分辨率為轉換器；分辨率為1/ 21/ 2

11、8 8 0.39 % 0.39 %模擬電壓轉換范圍是模擬電壓轉換范圍是 0 - +5 V0 - +5 V；標準轉換時間為；標準轉換時間為100100 s s采用采用2828腳雙立直插式封裝腳雙立直插式封裝14IN0IN0IN7IN7：8 8路模擬量輸入端。允許模擬量分時輸入，共用一個路模擬量輸入端。允許模擬量分時輸入，共用一個A/DA/D轉換器。轉換器。ALEALE：地址鎖存允許信號，輸入高電平有效。上升沿時鎖存：地址鎖存允許信號，輸入高電平有效。上升沿時鎖存3 3位通道選擇信號。位通道選擇信號。A A、B B、C C：3 3位地址線即模擬量通道選擇線。位地址線即模擬量通道選擇線。ALEALE

12、為高電平時，地址譯碼。為高電平時，地址譯碼。STARTSTART：啟動：啟動A/DA/D轉換信號，輸入，高電平有效。上升沿時將轉換器內(nèi)部清轉換信號，輸入，高電平有效。上升沿時將轉換器內(nèi)部清零，下降沿時啟動零，下降沿時啟動A/DA/D轉換。轉換。EOCEOC：轉換結束信號，輸出，高電平有效。：轉換結束信號，輸出，高電平有效。OEOE：輸出允許信號，輸入，高電平有效。該信號用來打開三態(tài)輸出緩沖器，：輸出允許信號，輸入，高電平有效。該信號用來打開三態(tài)輸出緩沖器，將將A/DA/D轉換得到的轉換得到的8 8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。D0D0D7D7：8 8位數(shù)字量輸出。位數(shù)字量輸出

13、。D0D0為最低位，為最低位，D7D7為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機數(shù)據(jù)總線直接相連?？膳c主機數(shù)據(jù)總線直接相連。CLOCKCLOCK：外部時鐘脈沖輸入端。當脈沖頻率為：外部時鐘脈沖輸入端。當脈沖頻率為640kHz640kHz時，時，A/DA/D轉換時間為轉換時間為100100 s s。VR+VR+，VR-VR-：基準電壓源正、負端。取決于被轉換的模擬電壓范圍，通常：基準電壓源正、負端。取決于被轉換的模擬電壓范圍，通常VR+ VR+ = = 5V DC5V DC，VR- = 0V DCVR- = 0V DC。VccVcc：工作電源，：工作電源， 5VDC5V

14、DC。GNDGND：電源地。：電源地。各引腳功能如下：各引腳功能如下：15ADC0809的內(nèi)部轉換時序的內(nèi)部轉換時序ALEC.B.ASTARTEOCOEDO7DO0圖2-12 ADC0809的轉換時序轉換過程如下：轉換過程如下：首先首先ALEALE的上的上升沿將地址代碼鎖存、譯碼升沿將地址代碼鎖存、譯碼后選通模擬開關中的某一路，后選通模擬開關中的某一路，使該路模擬量進入到使該路模擬量進入到A/DA/D轉換轉換器中。同時器中。同時START START 的上升沿的上升沿將轉換器內(nèi)部清零，下降沿將轉換器內(nèi)部清零，下降沿起動起動A/DA/D轉換，即在時鐘的作轉換，即在時鐘的作用下，逐位逼近過程開始，

15、用下，逐位逼近過程開始，轉換結束信號轉換結束信號EOCEOC即變?yōu)榈图醋優(yōu)榈碗娖健．斵D換結束后，電平。當轉換結束后，EOCEOC恢復高電平，此時，如果對恢復高電平，此時，如果對輸出允許輸出允許OEOE輸入一高電平命輸入一高電平命令，則可讀出數(shù)據(jù)。令，則可讀出數(shù)據(jù)。162）應用舉例）應用舉例1 指定指定8路模擬電壓輸入端口路模擬電壓輸入端口地址為地址為78H7FH，轉換結束，轉換結束信號以中斷方式與信號以中斷方式與CPU聯(lián)絡，聯(lián)絡，采用采用74LS138作輸入通道地作輸入通道地址譯碼器，要求畫出址譯碼器，要求畫出ADC0809與與8086的連接原理的連接原理電路圖。電路圖。17分析：分析：nAD

16、C0809數(shù)據(jù)輸出帶三態(tài)輸出門，故可以直接接到數(shù)據(jù)輸出帶三態(tài)輸出門，故可以直接接到CPU數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線上；總線上；n8路模擬電壓輸入地址為路模擬電壓輸入地址為78H7FH，則低，則低3位地址線位地址線A2A0分分別接模數(shù)轉換器別接模數(shù)轉換器ADC0809的采樣地址輸入端的采樣地址輸入端C、B、A上，上，用于選通用于選通8路輸入通路中的一路；路輸入通路中的一路；n用一條輸出指令即可啟動某一通路開始轉換，即使用一條輸出指令即可啟動某一通路開始轉換，即使ADC0809的的START和和ALE端得到一個啟動正脈沖信號；端得到一個啟動正脈沖信號；n轉換結束后，轉換結束后，ADC0809從從EOC端發(fā)出一個

17、正脈沖信號，通過端發(fā)出一個正脈沖信號，通過中斷程序控制器中斷程序控制器8259A向向CPU發(fā)出中斷請求，發(fā)出中斷請求，CPU響應中斷響應中斷后，轉去執(zhí)行中斷服務程序。后，轉去執(zhí)行中斷服務程序。18例例2將一個由電位器產(chǎn)生的模擬信將一個由電位器產(chǎn)生的模擬信號轉換成微機所能接受的數(shù)字號轉換成微機所能接受的數(shù)字量信號，轉換結果送入微機內(nèi)量信號，轉換結果送入微機內(nèi)存中，并顯示在屏幕上。采樣存中，并顯示在屏幕上。采樣點取點取256256個。個。需要轉換的模擬量靠電位器旋轉得需要轉換的模擬量靠電位器旋轉得到到, ,模擬量電壓范圍模擬量電壓范圍:05V:05V，由，由IN0IN0口口輸入；輸入；ALEALE

18、與與STARTSTART相聯(lián)，以便鎖存通道相聯(lián)，以便鎖存通道地址同時開始地址同時開始A/DA/D采樣轉換；采樣轉換；ADC0809ADC0809時鐘頻率范圍為時鐘頻率范圍為101280kHz101280kHz，用，用500kHz500kHz，由，由8MHz8MHz經(jīng)經(jīng)74LS39374LS393分頻得到；分頻得到；ADC0809ADC0809轉換結束信號轉換結束信號EOCEOC產(chǎn)生中產(chǎn)生中斷請求信號使斷請求信號使CPUCPU讀入轉換后的數(shù)讀入轉換后的數(shù)據(jù)。程序略。據(jù)。程序略。19本章小結本章小結 模擬量輸入通道是計算機測控系統(tǒng)、智能測量儀表以及以微模擬量輸入通道是計算機測控系統(tǒng)、智能測量儀表以及以微處理器為基礎組成的各種產(chǎn)品的重要組成部分。處理器為基礎組成的各種產(chǎn)品的重要組成部分。 本章按照系統(tǒng)內(nèi)信號的流向，依次介紹模擬量輸入通道的各本章按照系統(tǒng)內(nèi)信號的流向，依次介紹模擬量輸入通道的各個組成部分信號調理、多路模擬開關、前置放大器、采樣保持個組成部分信號調理、多路模擬開關、前置放大器、采樣保持器、器、A/DA/D轉換器及其接口電路與轉換器及其接口電路與A/DA/D轉換模板的結構原理與功能作轉換模板的結構原理與功能作用，其中有些環(huán)節(jié)可以根據(jù)實際需要來選擇取舍。比如輸入信號用，其中有些環(huán)節(jié)可以根據(jù)實