輸入輸出接口技術課件

1、第三章 輸入輸出接口技術 8/1/20221第三章 計算機輸入輸出接口技術本章主要內容模擬量輸入接口模擬量輸出接口數字量輸入輸出接口8/1/20222第三章 計算機輸入輸出接口技術計算機控制系統通道概述8/1/20223第三章 計算機輸入輸出接口技術CPU外部設備數據狀態(tài)控制通常有三類信息：數據信息數字量模擬量開關量狀態(tài)信息控制信息8/1/20224第三章 計算機輸入輸出接口技術IO通道 模擬量輸入通道模擬量輸出通道數字量輸入通道數字量輸出通道 IO通道分為： 8/1/20225第三章 計算機輸入輸出接口技術第一節(jié) 計算機控制系統中通道技術一、前向通道的內容與結構特點 作用：把生產過程中的模擬

2、量信息提供給計算機。 結構類型：書上P458/1/20226第三章 計算機輸入輸出接口技術8/1/20227第三章 計算機輸入輸出接口技術二、前向通道設計中應考慮的問題 前向通道必須考慮信號拾取、信號調節(jié)、A/D轉換、電源配置和防止干擾等問題。 1信號的拾取方式 ：通過敏感元件拾取被測信號 2、通過傳感器拾取被測信號 傳感器測量的輸出一般為電壓、電流或頻率量。 8/1/20228第三章 計算機輸入輸出接口技術 電流輸出信號需轉化為電壓信號后與A/D電路相連。 輸出頻率量傳感器精度高、抗干擾能力強，便于遠距離傳送，它需采用特殊的轉換方法才能變?yōu)槎M制數字量。 3、通過測量儀表拾取被測信號 測量儀

3、表采用標準化輸出信號，如電壓信號為05V、5V、010V、2.5V等范圍，而電流信號則為420mA、010 mA等范圍，經適當處理后（如I/V變換、濾波）后可直接與A/D電路相連。 8/1/20229第三章 計算機輸入輸出接口技術2。信號的調節(jié)：信號放大與處理 任務：將傳感器信號轉換成滿足A/D電路要求的電平信號。包含小信號放大、濾波、零點校正、線性化處理、溫度補償、壓力補償、誤差修正、量程切換等信號處理電路。部分信號處理工作可由計算機軟件完成。 3模數轉換方式的選擇 V/F變換方式：將信號電壓變換為頻率量，由計算機或計數電路計數來實現模擬量轉化為數字量。 A/D轉換電路： 8/1/20221

4、0第三章 計算機輸入輸出接口技術4電源配置 考慮對傳感器、不同的信號調節(jié)電路中的芯片對電源的要求。 模擬輸入通道與生產現場聯系較緊，而且傳感器輸出信號較弱，電源配置時要充分考慮干擾的隔離與抑制。 5抗干擾措施 在信號的拾取與傳送過程中來自生產現場的干擾因素很多，在設計過程中應采用可靠的抗干擾措施，如隔離、濾波等。8/1/202211第三章 計算機輸入輸出接口技術第二節(jié)前向通道中的信號調節(jié)與信號調節(jié)器 前置放大器的任務是將模擬輸入小信號放大到A/D轉換的量程范圍之內，如0-5VDC; 對單純的微弱信號，可用一個運算放大器進行單端同相放大或單端反相放大。如圖3-5所示，信號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G =1+R2/R1； 若信號源的一端接放大器的負端為反相放大，反相放大電路的放大倍數G =R2/R1。當然，這兩種電路都是單端放大，所以信號源的另一端是與放大器的另一個輸入端共地。8/1/202212第三章 計算機輸入輸出接口技術 圖3-5 放大電路 8/1/202213第三章 計算機輸入輸出接口技術測量放大器 在實際工程中,來自生產現場的傳感器信號往往帶有較大的共模干擾， 而單個運放電路的差動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放構成的測量放大器，也稱儀表放大器，如圖所示。 經典的測量放大器是由三個運放組成的對稱結構

6、，測量放大器的差動輸入端VIN和VIN分別是兩個運放A1、A2的同相輸入端，輸入阻抗很高，而且完全對稱地直接與被測信號相連，因而有著極強的抑制共模干擾能力。8/1/202214第三章 計算機輸入輸出接口技術-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+負載(外接)外接地TUOV(外接)(a) 經典的前置放大器前置放大器 8/1/202215第三章 計算機輸入輸出接口技術 圖中RG是外接電阻，專用來調整放大器增益的。因此，放大器的增益G與這個外接電阻RG有著密切的關系。增益公式為 目前這種測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 計算機輸入輸出接口技術可變增益放大器 在A/D轉換通道中，多路被測信號常常共用一個測量放大器，而各路的輸入信號大小往往不同，但都要放大到A/D轉換器的同一量程范圍。因此，對應于各路不同大小的輸入信號，測量放大器的增益也應不同。具有這種性能的放大器稱為可變增益放大器或可編程放大器，如圖。 8/1/202217第三章 計算機輸入輸出接口技術3A2A-NIN負載(外接)外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314630-+1AIV+可變增益放大器8/1/202218第三章 計算機輸入輸出接口技術 把圖的外接

8、電阻RG換成一組精密的電阻網絡，每個電阻支路上有一個開關，通過支路開關依次通斷就可改變放大器的增益，根據開關支路上的電阻值與增益公式，就可算得支路開關自上而下閉合時的放大器增益分別為2、4、8、16、32、64、128、256倍。顯然，這一組開關如果用多路模擬開關(類似CD4051)就可方便地進行增益可變的計算機數字程序控制。此類集成電路芯片有AD612/614等。8/1/202219第三章 計算機輸入輸出接口技術三、隔離放大器特點：具有一般通用運放的特性，信息傳遞是通過磁路和光路來實現作用：在輸入電路和輸出電路之間實現電隔離常用器件：Model277、ISO122/124程控增益運算放大器作

9、用：在多通道或多參數的模擬輸入通道共用一個測量放大器、一個A/D轉換器時，對不同通道或參數改變測量放大器的增益。常用器件：可由測量放大器、模擬開關及電阻網絡來實現，也可采用集成程控測量放大器，如PGA200/201、PGA102、PGA100、AD612/614等 8/1/202220第三章 計算機輸入輸出接口技術四、 多路模擬開關主要知識點 引言結構原理擴展電路8/1/202221第三章 計算機輸入輸出接口技術引言 由于計算機的工作速度遠遠快于被測參數的變化，因此一臺計算機系統可供幾十個檢測回路使用，但計算機在某一時刻只能接收一個回路的信號。所以，必須通過多路模擬開關實現多選1的操作，將多路

10、輸入信號依次地切換到后級。 8/1/202222第三章 計算機輸入輸出接口技術 目前，計算機控制系統使用的多路開關種類很多，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現多到一的切換，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。雙端是指芯片內的一對開關同時動作，從而完成差動輸入信號的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。8/1/202223第三章 計算機輸入輸出接口技術結構原理 現以常用的CD4051為例，8路模擬開關的結構原理如圖所示。CD4051由電平轉換、譯

11、碼驅動及開關電路三部分組成。當禁止端為“1”時，前后級通道斷開，即S0S7端與Sm端不可能接通；當為“0”時，則通道可以被接通，通過改變控制輸入端C、B、A的數值，就可選通8個通道S0S7中的一路。比如：當C、B、A=000時，通道S0選通；當C、B、A=001時，通道S通；當C、B、A = 111時，通道S7選通。其真值表如表3-1所示。8/1/202224第三章 計算機輸入輸出接口技術CD4051結構原理圖 8/1/202225第三章 計算機輸入輸出接口技術8/1/202226第三章 計算機輸入輸出接口技術2 擴展電路 當采樣通道多至16路時，可直接選用16路模擬開關的芯片，也可以將2個8

12、路4051并聯起來，組成1個單端的16路開關。 例題3-1 試用兩個CD4051擴展成一個116路的模擬開關。 8/1/202227第三章 計算機輸入輸出接口技術例題分析：圖給出了兩個CD4051擴展為116路模擬開關的電路。數據總線D3D0作為通道選擇信號，D3用來控制兩個多路開關的禁止端。當D3=0時，選中上面的多路開關，此時當D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S0S7通道；當D3=1時，經反相器變成低電平，選中下面的多路開關，此時當D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S8S15通道。如此，組成一個16路的模擬開關。8/1/202228第三章 計算機輸入輸出接口技術8

13、/1/202229第三章 計算機輸入輸出接口技術圖 用CD4051多路開關組成的16路模擬開關接線圖8/1/202230第三章 計算機輸入輸出接口技術五、 采樣保持器 當某一通道進行A/D轉換時，由于A/D 轉換需要一定的時間，如果輸入信號變化較快，就會引起較大的轉換誤差。為了保證A/D轉換的精度，需要應用采樣保持器。 1、數據采樣定理2、采樣保持器8/1/202231第三章 計算機輸入輸出接口技術1 數據采樣定理離散系統或采樣數據系統-把連續(xù)變化的量變成離 散量后再進行處理的計算機控制系統。離散系統的采樣形式-有周期采樣、多階采樣和隨機采樣。應用最多的是周期采樣。8/1/202232第三章

14、計算機輸入輸出接口技術周期采樣-就是以相同的時間間隔進行采樣，即把一個連續(xù)變化的模擬信號y(t)，按一定的時間間隔T 轉變?yōu)樵谒矔r0，T，2T，的一連串脈沖序列信號 y*(t)，如圖所示。8/1/202233第三章 計算機輸入輸出接口技術采樣器的常用術語：采樣器或采樣開關-執(zhí)行采樣動作的裝置，采樣時間或采樣寬度-采樣開關每次閉合的時間采樣周期T-采樣開關每次通斷的時間間隔 在實際系統中，T ，也就是說，可以近似地認為采樣信號y*(t)是y(t)在采樣開關閉合時的瞬時值。圖 信號的采樣過程 8/1/202234第三章 計算機輸入輸出接口技術 由經驗可知，采樣頻率越高，采樣信號 y*(t)越接近原

15、信號y(t)，但若采樣頻率過高，在實時控制系統中將會把許多寶貴的時間用在采樣上，從而失去了實時控制的機會。為了使采樣信號y*(t)既不失真，又不會因頻率太高而浪費時間，我們可依據香農采樣定理。8/1/202235第三章 計算機輸入輸出接口技術香農定理指出：為了使采樣信號y*(t)能完全復現原信號y(t)，采樣頻率f 至少要為原信號最高有效頻率fmax的2倍，即f 2fmax。 采樣定理給出了y*(t)唯一地復現y(t)所必需的最低采樣頻率。實際應用中，常取f （510）fmax。8/1/202236第三章 計算機輸入輸出接口技術采樣保持器 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、時間內，一直保持采樣值不變直到下一個采樣時刻。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 計算機輸入輸出接口技術采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器A1、A2和采樣開關S、保持電容CH等組成。采樣期間，開關S閉合，輸入電壓VIN通過A1對CH快速充電，輸出電壓VOUT跟隨VIN變化；保持期間，開關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 計算機輸入輸出接口技術圖 采樣保持器8/1/202239第三章 計算機輸入輸出接口技術 顯然，保持電容C H的作用十分重要。實際上保持

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、開關截止時的漏電流與電容內部的漏電流等。電容CH值-增大電容CH值可以減小電壓變化率，但同時又會增加充電即采樣時間，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、聚苯乙烯等高質量的電容器，容量為5101000pF。8/1/202240第三章 計算機輸入輸出接口技術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 計算機輸入輸出接口技術3-3 前向通道中的A/D轉換與A/D轉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前置放大器采樣保持器模數轉換器（A/D）控制電路等A/D轉換器的性能指標類似于D/A轉換器8/1/202242第三章 計算機輸入輸出接口技術在微機的各種接口中，完成外設信號到微機所需數字信號轉換的，稱為模擬數字轉換（A/D轉換）器；完成微機輸出數字信號到外設所需信號轉換的，稱為數字模擬轉換（D/A轉換）器。D/A轉換器（

19、Digital to Analog Converter）是一種能把數字量轉換成模擬量的電子器件；A/D轉換器（Analog to Digital Converter）則相反，它能把模擬量轉換成相應的數字量。在微機控制系統中，經常要用到A/D和D/A轉換器。它們的功能及在實時控制系統中的地位，如圖所示。8/1/202243第三章 計算機輸入輸出接口技術圖 單片機和被控實體間的接口示意返回本章首頁8/1/202244第三章 計算機輸入輸出接口技術 3-3-1 A/D轉換器原理并行A/D轉換器n位則需2n-1個比較器，成本高，故只應用于轉換速度要求極高的場合計數器式A/D轉換器簡單、便宜，但每輸入一

20、個時鐘脈沖，計數器加（或減）1，故要逼近輸入值，需輸入許多個脈沖，因而轉換很慢。8/1/202245第三章 計算機輸入輸出接口技術1計數器式A/D轉換器 8/1/202246第三章 計算機輸入輸出接口技術原理：轉換器、計數器和比較器組成。工作時，計數器由零開始計數，將其計數值送往DA轉換器進行轉換，將生成的模擬信號與輸入模擬信號在比較器內進行比較，若前者小于后者，則計數值加1，重復DA轉換及比較過程。當這個信號值與輸出模擬量比較相等時（在允許的誤差范圍內），比較器輸出一個停止計數信號給計數器，計數器立即停止計數。此時DA轉換器輸出的模擬量就為模擬輸入值，計數器的值就是轉換成的相應的數字量值。

21、8/1/202247第三章 計算機輸入輸出接口技術 優(yōu)點：這種AD轉換器結構簡單、原理清楚缺點：它的轉換速度與精度之間存在著嚴重矛盾。即若要轉換速度高，則轉換器輸出與輸入的誤差就大，反之亦然。所以在實際中很少使用它。 8/1/202248第三章 計算機輸入輸出接口技術3-3-1 雙積分式A/D轉換器（1）雙積分式A/D轉換器特點是一種間接A/D轉換技術。模擬電壓先轉換成積分時間，然后轉換成計數脈沖數，最后將代表模擬輸入電壓大小的脈沖數轉換成BCD碼輸出。轉換時間較長，一般需要幾十毫秒。器件少、使用方便、抗干擾能力強、數據穩(wěn)定、價格便宜，適用于非快速計算機過程控制系統或精度要求較高的地方。8/1

22、/202249第三章 計算機輸入輸出接口技術 3-3-1 雙積分式A/D轉換器（2）雙積分式A/D轉換器的工作原理先對模擬輸入電壓Vin進行固定時間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成正比當固定時間t1到后，計數器清零，對積分器進行反向積分，并自動按一定的頻率進行計數。積分器的輸出電壓，從正向積分結束時的VI開始以恒定的斜率下降，當反向積分使其積分器輸出為零時，關閉計數器計數，完成一次A/D轉換工作。8/1/202250第三章 計算機輸入輸出接口技術缺點：轉換時間較長，一般需要幾十毫秒。優(yōu)點：器件少、使用方便、抗干擾能力強、數據穩(wěn)定、價格便宜，適用于非快速計算機過程控制

23、系統或精度要求較高的地方。 8/1/202251第三章 計算機輸入輸出接口技術 3-3-1 雙積分式A/D轉換器（3）雙積分式A/D轉換器示意圖控制邏輯計數器時鐘+比較器+積分器123積分電容VOVIK數據輸出VinVREF （基準電壓）雙積分式A/D轉換的原理框圖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 計算機輸入輸出接口技術 3-3-1 雙積分式A/D轉換器（4）常用雙積分式A/D轉換器芯片MC144338/1/202253第三章 計算機輸入輸出接口技術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的數字逼近Vin模擬量輸入數字量輸出寄存器D/A轉換器逐位逼近寄存器（SAR）控制時序和邏輯電路比較器+Vf（反饋電壓） 逐位逼近式A/D轉換器原理框圖 D0D78/1/202254第三章 計算機輸入輸出接口技術優(yōu)點：轉換速度快，轉換時間固定缺點：抗干擾能力差 8/1/202255第三章 計算機輸入輸出接口技術例:四位A/D轉換器,滿刻度值5V,現若輸入3.5V模擬電壓,試分析其逐次逼近的轉換過程.解:量化單位q=5/24=0.3125V1000: 0.3125*23=2.5Vfs）的一系列粗糙量化數據，由后續(xù)的數字

25、抽取器計算出模擬信號所對應的低取樣頻率fs的高分辯率數字信號。其實現主要基于過程取樣、-調制和數字濾波?？够殳B模擬濾波器-調制器數字濾波器低位數據流（1bit）輸入數字fs Fs模擬信號Fs高位數據流（16bit）模擬 -型A/D轉換器的組成框圖8/1/202257第三章 計算機輸入輸出接口技術 3-2-1 -型A/D轉換器（2）-型A/D轉換芯片AD7715價格便宜、分辨率高，不受噪聲環(huán)境的影響提供了一個增益為1、2、32、128倍可編程放大器，一個數字濾波器和一套自校準電路所提供的系統功能要比常用的積分型A/D轉換器強，而且避免了必須提供一個高質量積分電容的缺點是工業(yè)和過程控制應用中的理想

26、器件8/1/202258第三章 計算機輸入輸出接口技術（1）分辨率 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。通常用數字量的位數來表示，如8位、10位、12位等。分辨率為n，表示它可以對滿刻度的1/ 2n的變化量作出反應。即： 分辨率 = 滿刻度值/2n 量化誤差和分辨率是統一的，提高分辨率，可減少量化誤差。二、A/D轉換器的性能指標8/1/202259第三章 計算機輸入輸出接口技術2. 轉換精度 A/D轉換器的轉換精度是指A/D的實際輸出接近于理想輸出精確程度。A/D轉換器的轉換精度可以用絕對誤差和相對誤差來表示。 所謂絕對誤差，是指

27、對應于一個給定數字量A/D轉換器的誤差，其誤差的大小由實際模擬量輸入值和理論值之差來度量。絕對誤差包括增益誤差，零點誤差和非線性誤差等。 相對誤差是指絕對誤差與滿刻度值之比，一般用百分數來表示，對A/D轉換器常用最低有效值的位數LSB（Least Significant Bit)）來表示，1LSB = 1 2n 。8/1/202260第三章 計算機輸入輸出接口技術一般來說，位數n越大，其相對誤差（或絕對誤差）越小。3. 轉換時間 A/D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A/D 轉換器的轉換時間為微秒級，雙積分式A/D轉換器的轉換時間為毫秒級。8/1/202261第三章 計算

28、機輸入輸出接口技術例：一個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 計算機輸入輸出接口技術量化誤差：由于用有限二進制數字對模擬數值進行離散取值（量化）而引起的誤差，用如下表示：8/1/202263第三章 計算機輸入輸出接口技術8/1/202264第三章 計算機輸入輸出接口技術三、數據的采集與轉換的應用問題 孔徑誤差8/1/202265第三章 計算機輸入輸出接口技術例:一個十位的A/D轉換器誤差百分數0.1%, 則允許轉換的正弦波模擬信號的最大頻率為多少?(16HZ) 8/1/

29、202266第三章 計算機輸入輸出接口技術五、常用 A/D轉換器A/D轉換器與CPU的接口方式由它們之間數據傳輸方式決定并行接口和串行接口接口類型一般有三種，由A/D轉換器與CPU之間的聯系方式決定查詢法定時法中斷法8/1/202267第三章 計算機輸入輸出接口技術逐位逼近式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轉換器芯片12位A/D轉換器芯片8/1/202268第三章 計算機輸入輸出接口技術1、 典型的A/D轉換芯片ADC0809 8/1/202269第三章 計算機輸入輸出接口技術1）8路8位AD轉換器，即分辨率8位2）具有轉換起?？刂贫?。 3）轉換時間為100

30、s4）單個5V電源供電 5）模擬輸入電壓范圍05V，不需零點和滿刻度校準。 6）工作溫度范圍為-4085攝氏度 7）低功耗，約15mW。 8/1/202270第三章 計算機輸入輸出接口技術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位。下降沿啟動 AD轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到AD轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示AD轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上。 1. A

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

32、B、C：3位地址線即模擬量通道選擇線。ALE為高電平時，地址譯碼與對應通道選擇見表格 。START：啟動A/D轉換信號，輸入，高電平有效。上升沿時將轉換器內部清零，下降沿時啟動A/D轉換。EOC：轉換結束信號，輸出，高電平有效。OE：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A/D轉換得到的8位數字量送到數據總線上。D0D7：8位數字量輸出。D0為最低位，D7為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機數據總線直接相連。8/1/202274第三章 計算機輸入輸出接口技術CLOCK：外部時鐘脈沖輸入端。當脈沖頻率為640kHz時，A/D轉換時間為100s。VR+，VR-：基準電壓

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

34、25s,適合于在高精度快速采樣系統中使用內部結構大體與ADC0809類似，由12位A/D轉換器、控制邏輯、三態(tài)輸出鎖存緩沖器與10V基準電壓源構成，可以直接與主機數據總線連接，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 計算機輸入輸出接口技術 圖 3-17 AD574A原理框圖及引腳8/1/202279第三章 計算機輸入輸出接口技術各引腳功能如下：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， 但數字量輸出及控制信號的

35、邏輯 電平仍可直接與TTL兼容。DGND，AGND：數字地，模擬地。REF OUT：基準電壓源輸出端，芯片內部基準電壓源為+10.00 V1。REF IN：基準電壓源輸入端，如果REF OUT通過電阻接至REF IN，則可用來調量程。8/1/202280第三章 計算機輸入輸出接口技術 ：轉換結束信號，高電平表示正在轉換，低電平表示已轉換完畢。 DB0-DB11：12位輸出數據線，三態(tài)輸出鎖存，可與主機數據線直接相連。 CE：片能用信號，輸入，高電平有效。 ：片選信號，輸入，低電平有效。 R/ ：讀/轉換信號，輸入，高電平為讀A/D轉換數據，低電平為起動A/D轉換。12/ ：數據輸出方式選擇信號

36、，輸入，高電平時輸出12位數據，低電平時與A0信號配合輸出高8位或低4位數據。12/ 不能用TTL電平控制，必須直接接至+5V(引腳1)或數字地(引腳15)。8/1/202281第三章 計算機輸入輸出接口技術A0：字節(jié)信號，在轉換狀態(tài)，A0為低電平可使AD574產生12位轉換，A0為高電平可使AD574產生8位轉換。在讀數狀態(tài)，如果12/ 為低電平，A0為低電平時，則輸出高8位數，而A0為高電平時，則輸出低4位數；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 計算機輸入輸出接口

37、技術8/1/202283第三章 計算機輸入輸出接口技術 10VIN，20VIN，BIP OFF：模擬電壓信號輸入端。單極性應用時，將BIP OFF接0 V，雙極性時接10 V。量程可以是10 V，也可以是20 V。輸入信號在10 V范圍內變化時，將輸入信號接至10 VIN；在20V范圍內變化時，接至20VIN。模擬輸入信號的幾種接法如表所示，相應電路如圖所示。 表 模擬輸入信號的幾種接法8/1/202284第三章 計算機輸入輸出接口技術圖 AD574A的輸入信號連接方法 8/1/202285第三章 計算機輸入輸出接口技術六、 A/D轉換器與系統的連接及舉例 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 計算機輸入輸出接口技術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 計算機輸入輸出接口技術例 如圖所示，試用查詢和中斷兩種方式編寫程序，對IN5通道上的數據進行采集，并將轉換結果送入內部RAM20H單元。解：中斷方式程序清單：ORG0000HMOVDPTR，#7FF5HMOVXDPTR，A；啟動A/D轉換SETBEASETBEX1；開外中斷1SETBIT1；外中斷請求信號為下跳沿觸發(fā)方式LOOP：SJMPLOOP；等待中斷

39、END8/1/202288第三章 計算機輸入輸出接口技術中斷服務程序：ORG0013H；外中斷1的入口地址LJMP1000H；轉中斷服務程序的入口地址ORG1000HMOVXA，DPTR；讀取A/D轉換數據MOV20H，A；存儲數據RETI；中斷返回8/1/202289第三章 計算機輸入輸出接口技術查詢方式程序清單：ORG0000HMOVDPTR，#7FF5HMOVXDPTR，A；啟動A/D轉換LOOP：JBP3.3，LOOP；等待轉換結束MOVXA，DPTR；讀取A/D轉換數據MOV20H，A；存儲數據END8/1/202290第三章 計算機輸入輸出接口技術例 如圖所示，試編程對8個模擬通道

40、上的模擬電壓進行一遍數字采集，并將采集結果送入內部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 計算機輸入輸出接口技術解：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，故通道號是通過數據線來選擇。程序清單：ORG0000HMOVR0，#30H；數據區(qū)始地址送R0MOVR7，#08H；通道數送R7MOVR6，#00H；IN0地址送R6MOVIE，#84H；開中斷SETBIT1；外中斷請求信號為下跳沿觸發(fā)方式MOVR1，#0F0H；送端口地址到R1MOVA，R6；IN0地址送

41、AMOVXR1，A；啟動A/D轉換LOOP：SJMPLOOP；等待中斷END8/1/202292第三章 計算機輸入輸出接口技術中斷服務程序：ORG0013H；外中斷1的入口地址AJMP1000H；轉中斷服務程序的入口地址ORG1000HMOVXA，R1；讀入A/D轉換數據MOVR0，A；將轉換后的數據存入數據區(qū)INCR0；數據區(qū)指針加1INCR6；模擬通道號加1MOVA，R6；新的模擬通道號送AMOVXR1，A；啟動下一通道的A/D轉換DJNZR7，LOOP1；8路采樣未結束，則轉向LOOP1CLREX1；8路采樣結束，關中斷LOOP1：RETI；中斷返回返回本節(jié)8/1/202293第三章 計

42、算機輸入輸出接口技術2. 8031和AD574的接口圖表示出了AD574與8031單片機的接口電路。 8/1/202294第三章 計算機輸入輸出接口技術圖 單極性輸入電路8/1/202295第三章 計算機輸入輸出接口技術例 在圖 中，試編寫程序，使AD 574進行12位A/D轉換，并把轉換后的12位數字量存入內部20H和21H單元。設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；數據區(qū)首址MOVDPTR，#0FF7CH MOVXDPTR，A；啟動A/D轉換8/1/202296第三章 計算機輸入輸出接口技術LOOP：JBP1.0，LOOP；

43、轉換是否結束，未結束，等待MOVDPTR，#0FF7DHMOVXA，DPTR；讀高8位數據MOVR0，A；存高8位數據INCDPTRINCDPTRMOVXA，DPTR；讀低4位數據ANLA，#0FH；屏蔽高4位隨機數INCR0MOVR0，A；存低4位數據END8/1/202297第三章 計算機輸入輸出接口技術第四節(jié)模擬量輸出通道及D/A轉換器8/1/202298第三章 計算機輸入輸出接口技術本節(jié)主要內容D/A轉換器原理及器件D/A轉換器與CPU的連接8/1/202299第三章 計算機輸入輸出接口技術模擬量輸出通道的任務-把計算機處理后的數字量信號轉換成模擬量電壓或電流信號，去驅動相應的執(zhí)行器，

44、從而達到控制的目的; 模擬量輸出通道(稱為D/A通道或AO通道)構成-一般是由接口電路、數/模轉換器(簡稱D/A或DAC)和電壓/電流變換器等;模擬量輸出通道基本構成-多D/A結構（圖 (a)）和共享D/A結構（圖(b)） 8/1/2022100第三章 計算機輸入輸出接口技術圖接口電路通道1通道nD/AD/AV/IV/I(a) 多D/A結構PC總線特點：1、一路輸出通道使用一個D/A轉換器 2、 D/A轉換器芯片內部一般都帶有數據鎖存器 3、 D/A轉換器具有數字信號轉換模擬信號、信號保持作用 4、 結構簡單，轉換速度快，工作可靠，精度較高、通道獨立 5、 缺點是所需D/A轉換器芯片較多8/1

45、/2022101第三章 計算機輸入輸出接口技術接口電路通道1通道nD/AV/IV/I多路開關采樣保持器采樣保持器（b）共享D/A結構PC總線圖 特點：1、多路輸出通道共用一個D/A轉換器 2、每一路通道都配有一個采樣保持放大器 3、 D/A轉換器只起數字到模擬信號的轉換作用 4、采樣保持器實現模擬信號保持功能 5、節(jié)省D/A轉換器，但電路復雜，精度差，可靠低、占用主機時間 8/1/2022102第三章 計算機輸入輸出接口技術二、 D/A轉換器工作原理1、并行D/A轉換器工作原理8/1/2022103第三章 計算機輸入輸出接口技術1、并行D/A轉換器工作原理現以 4 位 D/A 轉換器為例說明其

46、工作原理，如圖 所示。8/1/2022104第三章 計算機輸入輸出接口技術 假設D3、D2、D1、D0全為1，則BS3、BS2、BS1、BS0全部與“1”端相連。根據電流定律，有：8/1/2022105第三章 計算機輸入輸出接口技術 由于開關 BS3 BS0 的狀態(tài)是受要轉換的二進制數 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 計算機輸入輸出接口技術考慮到放大器反相端為虛地，故：選取 Rfb = R ，可以得到： 結論：由上述推導可見，輸出電壓除了與輸入的二進制數有關，還與運算放大器的反饋電阻 Rfb以及基準電壓VREF有關。8/1/

47、2022107第三章 計算機輸入輸出接口技術對于 n 位 D/A 轉換器，它的輸出電壓VOUT與輸入二進制數B( Dn-1 D0) 的關系式可寫成：8/1/2022108第三章 計算機輸入輸出接口技術三、常用 D/A轉換器及其與CPU的連接8/1/2022109第三章 計算機輸入輸出接口技術D/A轉換器的性能指標 D/A轉換器性能指標是衡量芯片質量的重要參數，也是選用D/A芯片型號的依據。主要性能指標有： （1）分辨率 （2）轉換精度 （3）偏移量誤差 （4）穩(wěn)定時間8/1/2022110第三章 計算機輸入輸出接口技術（1）分辨率 分辨率-是指 D/A 轉換器能分辨的最小輸出模擬增量，即當輸入

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

49、輸出模擬量對于零的偏移值。此誤差可通過D/A轉換器的外接VREF和電位器加以調整。8/1/2022113第三章 計算機輸入輸出接口技術（4）穩(wěn)定時間 穩(wěn)定時間-是描述D/A轉換速度快慢的一個參數，指從輸入數字量變化到輸出模擬量達到終值誤差1/2LSB時所需的時間。顯然，穩(wěn)定時間越大，轉換速度越低。對于輸出是電流的D/A轉換器來說，穩(wěn)定時間是很快的，約幾微秒，而輸出是電壓的D/A轉換器，其穩(wěn)定時間主要取決于運算放大器的響應時間。8/1/2022114第三章 計算機輸入輸出接口技術1. 8位DAC0832芯片主要知識點 (1) DAC0832性能 （2） DAC0832 工作原理 （3） DAC0

50、832 管腳功能 8/1/2022115第三章 計算機輸入輸出接口技術（1） DAC0832性能一個8位D/A轉換器電流輸出方式穩(wěn)定時間為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 計算機輸入輸出接口技術（2） DAC0832工作原理8/1/2022117第三章 計算機輸入輸出接口技術 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送來的數字量，使輸入數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換的

51、數字量，由加以控制；8位D/A轉換器輸出與數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個寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。8/1/2022118第三章 計算機輸入輸出接口技術DI0DI7：數據輸入線，其中DI0為最低有效位LSB ，DI7為 最高有效位MSB。CS：片選信號，輸入線，低電平有效。WR1：寫信號1，輸入線，低電平有效。ILE：輸入允許鎖存信號，輸入線，高電平有效 當ILE、和同時有效時，8位輸入寄存器端為高電平1，此時寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D的電平變化；反之，當端為低電平0時，原D 端輸入數據被鎖存于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 計算機輸入輸出接口技術XFER(Transfer Control Signal):傳送控制信號，輸入線， 低電平有效。IOUT1：DAC電流輸出端1，一般作為運算放大器差動輸入信號之一。IOUT2：DAC電流輸出端2，一般作為運算放大器另一個差動輸入信號。 Rfb：固化在芯片內的反饋電阻連接端，用于連接運算放大器的輸出端。 VREF：基準電壓源端，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 計算機輸入輸出接口技術 當WR2和XFER同時有效時，8位DAC寄存器端為高電平“1”，此

53、時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，當端為低電平“0”時，第一級8位輸入寄存器Q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位DAC寄存器中，以便第三級8位DAC轉換器進行D/A轉換。 一般情況下為了簡化接口電路，可以把和直接接地，使第二級8位DAC寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級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，即把兩個寄存器都分別接成受控方式。 8/1/2022121第三章 計算機輸入輸出接口技術(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/手動輸出方式引言8/1

54、/2022122第三章 計算機輸入輸出接口技術引 言 多數D/A轉換芯片輸出的是弱電流信號，要驅動后面的自動化裝置，需在電流輸出端外接運算放大器。根據不同控制系統自動化裝置需求的不同，輸出方式可以分為電壓輸出、電流輸出以及自動/手動切換輸出等多種方式。8/1/2022123第三章 計算機輸入輸出接口技術 電壓輸出方式 由于系統要求不同，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 計算機輸入輸出接口技術圖 D/A轉換單極性輸出方式 8/1/2022125第三章 計算機輸入輸出接口技術DAC單極性輸出 式中：VRE

55、F/256是常數 顯然，VOUT和 B 成正比關系，輸入數字量 B 為 00H 時，VOUT也為 0 ；輸入數字量 B 為FFH即255時，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的單極性輸出表達式為：8/1/2022126第三章 計算機輸入輸出接口技術D/A轉換雙極性輸出方式 8/1/2022127第三章 計算機輸入輸出接口技術A1 和 A2 為運算放大器，A點為虛地，故可得： 解上述方程可得雙極性輸出表達式： (2-3) 圖中運放 A2 的作用是將運放 A1 的單向輸出變?yōu)殡p向輸出。當輸入數字量小于 80 H即128時，輸出模擬電壓

56、為負；當輸入數字量大于 80 H即128時，輸出模擬電壓為正。其它n位D/A轉換器的輸出電路與DAC0832 相同，計算表達式中只要把 28-1改為2n-1即可。 或8/1/2022128第三章 計算機輸入輸出接口技術（1） DAC1210性能 DAC1210-是一個12位D/A轉換器，電流輸出方式，其結構原理與控制信號功能基本類似于 DAC0832。由于它比 DAC0832多了4條數據輸入線，故有24條引腳，DAC 1210內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位轉換器芯片DAC12108/1/2022129第三章 計算機輸入輸出接口技術圖

57、 DAC1210原理框圖及引腳 鏈接動畫8/1/2022130第三章 計算機輸入輸出接口技術（2） DAC1210工作原理DAC1210內部有三個寄存器： 一個8位輸入寄存器，用于存放12位數字量中的高8位DI11DI4；一個4位輸入寄存器，用于存放12位數字量中的低4位DI3 DI0； 一個12位DAC寄存器，存放上述兩個輸入寄存器送來的12位數字量； 12位D/A轉換器用于完成12位數字量的轉換。 由與門、非與門組成的輸入控制電路來控制3個寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。其中引腳（片選信號、低電平有效）、（寫信號、低電平有效）和BYTE1/（字節(jié)控制信號）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 計算機輸入輸出接口技術 當CS、WR1為低電平“0”，BYTE1/為高電平“1”時，與門的輸出LE1、LE2為“1”，選通 8 位和 4 位兩個輸入寄存器，將要轉換的12位數據全部送入寄存器；當BYTE1/為低電平“0”時，LE1為“0”，8位輸入寄存器鎖存剛傳送的 8 位數據，而LE2仍為“1”，4 位輸入寄存器仍為選通，新的低 4 位數據將刷新剛傳送的 4 位數據。因此，在與計算機接口電路中，計算機必須先送高 8 位后送低 4 位。XFER(傳送控制信號、低電平有效)和WR2(寫信號、低電平有效)用來控制 12 位DAC寄存器，當XFER和WR2同為低電平“0”時，與門輸出LE3為“1”，12 位數據全部送入DAC寄存器，當XFER和WR2有一個為高電平“1”時，與門輸出LE3即為“0”，則12位DAC寄存器鎖存住數據使12位D/A轉換器開始數摸轉換。 8/1/2022132第三章 計算機輸入輸出接口技術與8位DAC0832的2點區(qū)別分辨率為12位，有12條數據輸入線（DI0DI11），采用24腳雙立直插式封裝?？捎米止?jié)控制信號BYTE1/2控制數據的輸入該信號為高電平時，12位數據（DI0DI11）同時存入第一級的兩個輸入寄存器；當該信號為低電平時，只將低4位數據（DI0DI3）存入低4位輸入寄存器。