計算機控制-輸入輸出通道與IO接口-1

計算機控制-輸入輸出通道與IO接口-1第一頁，共49頁。3.2多路模擬開關(guān)利用多路開關(guān)可將各個輸入信號依次地或隨機地連接到公用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器上，實現(xiàn)多路共享、多路復(fù)用。如圖3.4(P64)所示的I/O通道結(jié)構(gòu)形式，在輸入、輸出通道分別設(shè)置一個多路模擬開關(guān)，實現(xiàn)：將多個模擬量分時檢測送入A/D轉(zhuǎn)換器中（多到一，多路開關(guān)）；將D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號逐個輸出到相應(yīng)的控制回路中（一到多，多路分配器）。常用的多路開關(guān)有CD4051(或MC14051)、AD7501、LF13508等。以RCA公司（RadioCorporationofAmerica，美國無線電公司)生產(chǎn)的CD4051為例來介紹多路模擬開關(guān)的原理。第二頁，共49頁。CD4051是8通道雙向多路模擬開關(guān)，引腳、原理分別如圖3.6、3.7（P66）所示。從原理上來看，它是一個電子開關(guān)陣列，每個開關(guān)由驅(qū)動器來控制；驅(qū)動器由3位二進(jìn)制代碼A2、A1、A0和片選信號S的控制（地址譯碼，見下頁表3.1）。

“多到一”：IO0~IO7輸入，O/I輸出；“一到多”：O/I輸入，IO0~IO7輸出。電源、地引腳：VDD正電壓（+5~+15V）；VEE負(fù)電壓（-5~-15V）；Vss數(shù)字地。第三頁，共49頁。表3.1CD4051通道轉(zhuǎn)換控制表第四頁，共49頁。多路模擬開關(guān)的主要指標(biāo)轉(zhuǎn)換速度：100ns~1μs開路靜態(tài)電阻：大于109Ω導(dǎo)通靜態(tài)電阻：小于100ΩCD4051并不是理想的開關(guān)，關(guān)斷時有漏電流，導(dǎo)通時有阻抗。為了減少多路開關(guān)導(dǎo)通電阻對信號傳輸精度的影響，要求后面的負(fù)載阻抗足夠大。第五頁，共49頁。3.3采樣與保持采樣：將時間上連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間上離散的模擬量。

保持：將采樣時刻得到的模擬量值保持下來，直至下一個采樣時刻。第六頁，共49頁。量化：用一組二進(jìn)制碼來逼近離散模擬信號的幅值，將離散模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。量化單位：把ymin~ymax范圍內(nèi)變化的采樣信號變化為n位的二進(jìn)制數(shù)字（能表示的范圍：0~2n-1），則其量化單位q為q=（ymax-ymin）/（2n-1）最低有效位（LSB，LeastSignificantBit）所對應(yīng)的模擬量。量化過程：用量化單位q去度量采樣值幅值大小的過程，如同人們用單位長度(毫米或其它)去度量人的身高一樣。會涉及“小數(shù)歸整”，因而存在量化誤差。最大的量化誤差不超過(±1/2)q

。如q=20mV，則量化誤差為±10mV。也就是說0.990~1.010V范圍內(nèi)的采樣值，其量化結(jié)果相同，都是數(shù)字50。量化后二進(jìn)制數(shù)的大小和量化單位有關(guān)。n越大，q越小，量化誤差越小。實現(xiàn)“量化”的裝置是A/D轉(zhuǎn)換器。第七頁，共49頁。例：被采樣的電壓值范圍-5V~+5V，用8位二進(jìn)制數(shù)表示。分析其量化過程。分析：由已知，-5V~+5V范圍內(nèi)的任一電壓值都將被量化為一個8位二進(jìn)制數(shù)（00000000–11111111），-5V~+5V的電壓范圍將等分為256個等級。量化單位q=10/255=0.039V，即0.039V為一個等級。電壓模擬量二進(jìn)制量化值電壓模擬量二進(jìn)制量化值-5V0V-4.961V0.039V-4.922V0.078V……………………-0.078V4.922V-0.039V4.961V第八頁，共49頁。第九頁，共49頁。采樣保持器采樣保持器的工作方式：采樣和保持。S閉合，S/H在“采樣”方式中，其輸出VOUT跟蹤（track）模擬輸入電壓VIN。S斷開，S/H在“保持”方式中，其輸出將保持采樣命令撤銷時刻的采樣值，直到下一次采樣命令。第十頁，共49頁。采樣保持器的主要參數(shù)：采集時間（捕捉時間）：當(dāng)S/H工作在“采樣”方式時，其輸出從原來的保持值轉(zhuǎn)變到新的采樣值，并保持穩(wěn)定所需要的時間?？讖綍r間：當(dāng)S/H從“采樣”切換到“保持”方式時，采樣開關(guān)從閉合轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_所需要的時間（在這段時間內(nèi)，S/H的輸出仍舊跟隨輸入端變化，造成孔徑誤差）。第十一頁，共49頁。

例：S/H的輸入信號為U=Umsinωt的正弦模擬信號。分析可能引入的最大孔徑誤差為多少？分析：輸入信號U的最大變化量為：dU/dt=Umωcosωt當(dāng)ωt=kπ時刻，輸入信號有最大變化量dU/dt=±Umω。若在孔徑時間內(nèi)（“采樣”切換到“保持”），輸入信號剛好發(fā)生了最大的變化，則S/H引入最大的孔徑誤差，即emax=±Umω

相對誤差為：σ=±Umω/Um×100%=±2πf×100%由此，S/H的孔徑誤差σ和頻率f成正比。為了確保S/H的精度，可限制輸入信號的頻率或增加采樣次數(shù)。第十二頁，共49頁。采樣保持器的主要參數(shù)（續(xù)）保持電壓衰減率：保持電壓下降的速率。當(dāng)S/H進(jìn)入“保持”狀態(tài)后，由于保持電容的漏電流以及其他雜散電流的存在，保持電壓隨時間逐漸下降。加大保持電容CH，可減小保持電壓衰減率，但會增加采集時間。為此，必須合理選擇保持電容。應(yīng)選用漏電阻抗較大的電容，其值的大小根據(jù)實驗確定。一般選用100pF~1000pF之間的聚四氟乙烯或聚苯乙烯電容（絕緣阻抗高，漏電流小）。第十三頁，共49頁。常用的S/H有三類：1、通用型：LF398、AD582、AD583K等。捕捉時間小于10us，孔徑時間在幾十ns~100ns。2、高速型：THS-0025、THC-0300、THC-0060、THC-1500等。捕捉時間和孔徑時間為20ns~30ns。3、高分辨率型：SHA1144，專門為14位A/D轉(zhuǎn)換器所設(shè)計。

下面以LF398為例說明S/H的使用。第十四頁，共49頁。LF3983-模擬量輸入端VIN；5-模擬信號輸出端VOUT；8-S/H控制端：高電平1，采樣；低電平0，保持。7-邏輯電平基準(zhǔn)輸入端。依據(jù)8腳控制信號的電平，選擇不同參考電壓。若7腳接地，則8腳的控制信號要大于1.4V，“采樣”。6-外接保持電容CH。當(dāng)CH=0.01μF時，可達(dá)到0.01%精度，捕獲時間為25μs，保持電壓衰減率0.3mV/s。2-調(diào)零端。1、4-VCC、VEE，其范圍±5V～±15V。第十五頁，共49頁。將ADC0809的啟動轉(zhuǎn)換脈沖START連到LF398的引腳8上，作為S/H的控制脈沖。在START脈沖的下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，同時使LF398“保持”，即在A/D轉(zhuǎn)換期間，LF398處于保持狀態(tài)。START835VOUTLF398ADC0809INVIN例如，S/H的用法：控制輸入S/H啟動A/DS/H“保持”第十六頁，共49頁。3.4A/D與D/A轉(zhuǎn)換器3.4.1A/D芯片

A/D轉(zhuǎn)換器有逐位逼近式、計數(shù)器式、雙積分式等。雙積分式精度高，轉(zhuǎn)換速度較慢（幾ms~幾百ms，ms級），抗干擾能力較強；逐位逼近式轉(zhuǎn)換速度快（幾μs~幾百μs，μs級），但精度沒有雙積分式高且抗干擾能力較差。逐位逼近式能較好地兼顧速度和精度，在16位以下的A/D中應(yīng)用廣泛。而在信號變換緩慢，但現(xiàn)場干擾嚴(yán)重的場合宜選用雙積分式。

常用的逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器有：ADC0809（8位），AD574A（12位）。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器有：MC14433（3位半，相當(dāng)于二進(jìn)制的11位），ICL7135（4位半，相當(dāng)于二進(jìn)制的14位）。第十七頁，共49頁。A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)1）分辨率（位數(shù)）輸入的模擬電壓信號的范圍：0~5V，若用一個8位A/D轉(zhuǎn)換器，則分辨率為5000mV/28≈20mV。表明此A/D轉(zhuǎn)換器能分辨的最小電壓為20mV。若采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，最小能分辨電壓5000mV/212≈1mV第十八頁，共49頁。A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)（續(xù)）2）轉(zhuǎn)換時間從“開始轉(zhuǎn)換”到A/D轉(zhuǎn)換器輸出穩(wěn)定的數(shù)字量所需的時間。通常，A/D芯片的轉(zhuǎn)換時間在100us以下。3）轉(zhuǎn)換精度A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量所對應(yīng)的輸入電壓值與理論上產(chǎn)生該數(shù)字量所對應(yīng)的輸入電壓之差。與A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率、線性度有關(guān)。理論輸入電壓1.452.944.44實際輸入電壓1.372.854.52轉(zhuǎn)換精度-0.08-0.090.08第十九頁，共49頁。A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)（續(xù)）4）偏移誤差模擬輸入電壓為0時，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量?？赏ㄟ^外加一個電位器將偏移誤差調(diào)節(jié)至最小甚至為0。5）滿刻度誤差又稱增益誤差，滿刻度輸出的數(shù)字量對應(yīng)的實際輸入電壓值與理論輸入電壓值之差。通?？赏ㄟ^外部電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般在調(diào)節(jié)完偏移誤差后，再調(diào)節(jié)滿刻度誤差。6）線性度實際的輸出曲線與理論擬合直線之間的最大誤差。第二十頁，共49頁。逐位逼近式A/D的工作原理（1）從SAR輸出的二進(jìn)制碼送至D/A，其輸出電壓Vf與模擬量輸入Vin比較后，再通過控制時序邏輯控制SAR的數(shù)字逼近。（2）一旦SAR的輸出等于Vin對應(yīng)的二進(jìn)制碼，比較過程結(jié)束。比較完畢后，SAR將二進(jìn)制編碼送入鎖存器，等待CPU來讀取。逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖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）控制時序和邏輯電路比較器－+Vf（反饋電壓）D0~D7比較器：Vi＞Vf輸出“1”Vi≤Vf輸出“0”第二十一頁，共49頁。保留的砝碼為128g+16g+4g+1g=149g相當(dāng)于轉(zhuǎn)換的數(shù)碼為D7~D0=1001010114916128重物砝碼1427242220第二十二頁，共49頁。對一個n位的逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制數(shù)字量D與輸入模擬電壓VIN、基準(zhǔn)電壓VREF+、VREF-的關(guān)系為：第二十三頁，共49頁。常用的A/D轉(zhuǎn)換芯片：ADC0809、AD574A8位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809采用逐位逼近式原理芯片內(nèi)集成了8路模擬開關(guān)和采樣保持器；轉(zhuǎn)換時間為100us線性誤差為(±1/2)LSB28腳雙列直插式（Dualinlinepackage）封裝第二十四頁，共49頁。ADC0809內(nèi)部邏輯圖、引腳圖如圖所示，引腳功能，如下：IN7~IN0：8通道模擬量輸入端。D7~D0：8位數(shù)字量輸出端。反饋電壓VfVin第二十五頁，共49頁。反饋電壓VfVin控制邏輯：

（1）八路模擬通道選擇

C、B、A：通道號選擇輸入端，實現(xiàn)8選1。在ALE（允許地址鎖存信號，寬度為100~200ns）的上升沿將三位地址鎖存。

CBA所選通道000VIN0001VIN1010VIN2011VIN3100VIN4101VIN5110VIN6111VIN7第二十六頁，共49頁。

（2）A/D轉(zhuǎn)換

START：“啟動轉(zhuǎn)換”命令輸入端，高電平有效。EOC：“轉(zhuǎn)換結(jié)束”信號輸出端。

當(dāng)START腳收到“啟動轉(zhuǎn)換”命令(正脈沖)，開始轉(zhuǎn)換，100μs左右(64個時鐘周期)后轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC腳由低電平變?yōu)楦唠娖剑ㄆ綍r為高電平，轉(zhuǎn)換開始后以及轉(zhuǎn)換過程中均為低電平，轉(zhuǎn)換一結(jié)束又變回高電平），可利用該信號通知CPU讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果（查詢或中斷方式）。反饋電壓VfVin正在轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換結(jié)束第二十七頁，共49頁。（3）三態(tài)輸出鎖存緩沖器

OE：輸出使能端。在該引腳加上“高電平”，即“打開”數(shù)據(jù)鎖存器的三態(tài)門，數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線D7~D0上。若OE為“低電平”，則“關(guān)閉”數(shù)據(jù)緩沖器，“高阻態(tài)”。反饋電壓VfVin第二十八頁，共49頁。ADC0809轉(zhuǎn)換時序圖CBA①②上升沿，鎖存CBA的地址③下降沿，啟動A/D轉(zhuǎn)換④EOC低電平，A/D轉(zhuǎn)換中⑤EOC高電平，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束⑥打開數(shù)據(jù)鎖存器⑦數(shù)字量D7~D0數(shù)據(jù)線上上升沿ADC內(nèi)部寄存器清0第二十九頁，共49頁。CLK：外部時鐘脈沖輸入。典型的時鐘脈沖頻率為640kHz，轉(zhuǎn)換時間為100us。REF+、REF-：參考電壓輸入端，提供A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓。通常，將REF-接模擬地，將REF+接+5V。VCC（+5V）、GND第三十頁，共49頁。

問題：ADC0809，若VREF+=5.00V，VREF-=0V，那么VIN=0V、2.5V時對應(yīng)的數(shù)字量為多少？

分析：ADC0809為8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，VREF+=5.00V，VREF-=0V，那么VIN=0V、2.5V時對應(yīng)的數(shù)字量為：第三十一頁，共49頁。

ADC0809與PC的接口電路：ADC0809具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，可直接與PC的系統(tǒng)總線相連。但為了簡化接口電路的設(shè)計，通過并行接口芯片實現(xiàn)與CPU相連，如圖所示：第三十二頁，共49頁。

EOC又與OE相連，說明一旦A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，就立即“開啟”三態(tài)輸出緩沖器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)線D0~D7上?；鶞?zhǔn)電壓VREF+=+5V，VREF-=0V；外接時鐘脈沖。8255A方式0的特點：有兩個8位I/O口（A口、B口），兩個4位I/O口（C口高4位、C口低4位）；任何一個端口都可以做I/O；輸出鎖存，輸入不鎖存。方式0適用于無條件、查詢式數(shù)據(jù)傳送方式。假設(shè)8255A工作在方式0，選擇端口A為輸入口(PA0~PA7)，端口C上半部為輸入(PC7)而下半部為輸出口(PC0~PC2)，具體而言：

PC2~PC0作為C、B、A的輸入信號，實現(xiàn)通道（IN7~IN0）的選擇；

PC3與START相連，同時與ALE相連，表明地址鎖存的同時啟動A/D轉(zhuǎn)換；

PC7接到EOC，供CPU查詢判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，PC7=1，則轉(zhuǎn)換結(jié)束。第三十三頁，共49頁。假定在主程序中已經(jīng)完成對8255A的初始化編程，系統(tǒng)分配給8255A的地址為2C0~2C3H（A口:2C0H、B口：2C1H、C口：2C2H、控制口：2C3H，對控制口寫控制字，可實現(xiàn)對C口的某一位置位/復(fù)位）。0xxxPCn000~111清零/置位不用8255A控制端口寄存器：第三十四頁，共49頁。ADC0809PROCNEAR;子程序ADC0809開始MOVCX,8CLDMOVBL,00H;首個通道號LEADI,DATABUF;轉(zhuǎn)換結(jié)果的存儲區(qū)地址NEXTA:MOVDX,2C2H;C口MOVAL,BLOUTDX,AL;PC3、PC7清0，且第一次執(zhí)行時，CBA=000；PC3產(chǎn)生正脈沖，啟動A/D轉(zhuǎn)換INCDX;DX=2C3H，控制口MOVAL,00000111B;控制字OUTDX,AL;PC3置1，上升沿NOPNOPMOVAL,00000110B;OUTDX,AL;PC3清0，下降沿，到此完成PC3正脈沖，啟動A/D轉(zhuǎn)換第三十五頁，共49頁。DECDX;DX=2C2H，C口NOEOC:INAL,DX;讀取C口TESTAL,80H;測試PC7（EOC）JZNOEOC;PC7=1,A/D轉(zhuǎn)換完成順序執(zhí)行，否則繼續(xù)查詢直至PC7=1;A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并存儲到DATABUF存儲區(qū)MOVDX,2C0H;A口INAL,DX;讀A口，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果STOSB;存儲轉(zhuǎn)換的結(jié)果INCBL;修改通道號

LOOPNEXTA;判斷8路A/D轉(zhuǎn)換是否完成RET;8路轉(zhuǎn)換已完成，返回主程序ADC0809ENDP;子程序結(jié)束第三十六頁，共49頁。12位A/D轉(zhuǎn)換器-AD574A分辨率為12位采用逐位逼近式原理最快轉(zhuǎn)換時間為25us線性誤差為±1/2LSB內(nèi)部有時鐘脈沖源和基準(zhǔn)電壓源單通道單極性或雙極性電壓輸入28腳DIP封裝第三十七頁，共49頁。AD574A，各引腳的功能：10VIN：10V模擬電壓輸入。單極性：0～+10V雙極性：-5V～+5V20VIN：20V模擬電壓輸入。單極性：0～+20V雙極性：-10V～+10VDB11~DB0：12位數(shù)字量輸出。第三十八頁，共49頁。REFOUT：內(nèi)部10V參考電壓輸出。REFIN：參考電壓輸入端，用于滿量程調(diào)節(jié)。一般在REFIN與REFOUT之間接一個100Ω的電位器。

BIPOFF：偏置輸入，用于零點調(diào)節(jié)。當(dāng)BIPOFF=0V時，10VIN、20VIN為單極性輸入；當(dāng)BIPOFF=10V，則為雙極性輸入。AD574A中模擬信號的兩種輸入方式第三十九頁，共49頁。AD574A的控制信號：CS：片選信號，低電平有效；CE：芯片使能（或芯片允許）信號，高電平有效；注意：CS、CE必須同時有效，AD574A才能工作。R/C：讀數(shù)據(jù)/轉(zhuǎn)換控制信號。R/C=0，啟動A/D轉(zhuǎn)換，R/C=1，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果；12/8：輸出數(shù)據(jù)長度選擇。12/8=1，D11~D0，12位并行輸出；12/8=0，按雙8位形式分兩次輸出，D11~D4（高8位）、D3~D0（低4位）。A0：轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)長度選擇，與R/C、12/8相互配合使用。第四十頁，共49頁。R/C=0，啟動A/D轉(zhuǎn)換A0=0，12位A/D轉(zhuǎn)換A0=1，8位A/D轉(zhuǎn)換R/C=1，讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果12/8=0，分兩次讀12/8=1，12位并行輸出A0=0，讀高8位A0=1，讀低4位CE12/A0功能100×0啟動12位轉(zhuǎn)換100×1啟動8位轉(zhuǎn)換1011×允許12位并行輸出1010010101允許低4位輸出0×××××1

×××允許高8位輸出禁止，無操作禁止，無操作AD574A控制信號功能表第四十一頁，共49頁。STS：“轉(zhuǎn)換狀態(tài)”輸出信號。STS=1，表示正在A/D轉(zhuǎn)換；STS=0，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。①>300ns②>250ns③12位or8位A/D轉(zhuǎn)換③>300ns，A/D轉(zhuǎn)換啟動④25us，正在A/D轉(zhuǎn)換⑤STS低電平，A/D