第十章模拟io接口

第十章模拟io接口内容摘要：

fs≥2f imax fs为采样频率 ,fimax为输入信号 V1的最高次谐波分量 VI T S(t) VC Cn + ∞ Av V0 40 量化 用基本的量化电平 q的个数来表示采 样保持的模拟电压值。 量化实质上是把时间上离散而数值上连续的模拟量以一定的准确度变为时间上、数值上都离散的、量级化的等效模拟量。 A/D转换的四个步骤 41 常用量化方法： 量化误差 减小量化误差的办法： 编码 把已经量化的模拟量值 (一定为 q的整数 倍 )用数码表示。 只舍不入法 四舍五入法 —— 由量化电平的有限性所造成； 是原理性误差 ,只能减小 ,无法消除。 —— 根本办法是取小的量化电平； —— 在量化电平一定时 ,采用四舍五入法 也有利于减小量化误差。 42 采样、保持、量化、编码全过程示意图： A/D转换的四个步骤 43 A/D转换器原理 通常所说的 A/D转换器是指将采样保持后得到的模拟电压值 Vi转换为数字量的电路。 转换过程包括量化和编码，但实际上这两步并无明显分界。 44 ADC芯片分类 ①直接 ADC—— Vi直接转换成数码 ②间接 ADC—— Vi→ 中间变量 → 数码 根据 A/D转换原理和特点的不同， ADC可分成两类：： 并行转换式 ADC 逐次逼近式 ADC 计数式 ADC 常见的有 单积分式 ADC 双积分式 ADC V/F转换式 ADC 常见的有 其中 逐次逼近式 ADC的转换速度和精度较高，且比较简单，在集成 ADC芯片中应用最多。 45 逐次逼近式 ADC原理 二分搜索， 反馈比较， 逐次逼近。 （ 与天平称 重思想相似 ） 原理框图 A/D转换器原理 基本特点： 46 工作过程示意（以三位 ADC为例） 一般说来， n位 ADC转换一个数需要 n+1个时钟脉冲。 若把将转换结果送入输出缓冲锁存器这个节拍也算在内，则需要 n+2个时钟脉冲。 A/D转换器原理 47 ADC的性能参数 与 DAC基本参数相似，也有三类主要参数。 分辨率 —— ADC对 Vi微小变化响应能力的度量。 它是数字输出的最低位 (LSB)所对应的模拟输入电平值，即量化电平 q=VFS/2。 常用 ADC位数表示。 转换时间 —— 指完成一次 A/D转换所需的时间，即 从输入转换启动信号开始到转换结束 所经历的时间。 转换时间的倒数称为转换速率。 48 ADC的性能参数 精度 —— 实际变换函数与理想变换函数的接近程度。 通常 用误差表示。 相对精度实质上反映的是 ADC的线性度好坏。 指对于一个给定的数字量输出，其实际上 输入的模拟电压值与理论上应输入的模拟 电压值之差。 绝对精度 ： 相对精度 ： 指在整个转换范围内，任一个数（不是指 一个数）所对应的实际模拟输入电压与理 论输入电压的差。 49 ADC的转换误差来源 —— 数字误差，即量化误差 —— 模拟误差，即设备误差 ADC的性能参数 主要由分辨率决定，属原理性误差，可通过增加位数来减小。 主要来自比较器、 DAC中解码电阻、基准电压源和模拟开关等模拟电路的误差。 50 典型的集成 ADC芯片 ADC芯片一般都有 4种基本信号引线： 选用 ADC芯片时，除必须考虑其技术要求外，通常还需了解芯片以下两方面特性： ▲ 数字输出方式 ▲ 启动转换的控制方式 模拟信号输入端（单 /双极性） 数字量输出端（并行或串行） 转换启动信号输入端 转换结束信号输出端 —— 是脉冲控制式， 还是电平控制式 —— 是否有可控三态输出 下节 51 —— 8位逐次逼近式 ADC芯片 （ 1）主要性能指标和特性 模拟输入电压： 单极性 0～ 5V； 双极性177。 5V，177。 10V 单一电源： +5V 转换时间 :100μs 转换精度 :177。 1LSB 数字输出方式： 具有可控三态输出缓冲器 启动转换方式： 脉冲式 芯片工作时钟： 可由 CPU提供，也可通过外接电阻、 电容在芯片内部自行产生。 典型的集成 ADC芯片 52 （ 2）引脚功能 ① 模拟输入引脚 Vi(+),Vi():模拟信号输入端，既可单端输入也 可差动输入。 VR/2:参考电压输入端。 通常： VR/2 ＝ 1/2 [VI(+)VI()] CS RD WR CLKIN INTR Vi(+) Vi() AGND VR/2 DGND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 ADC 0804 VCC CLKR DB0(LSB) DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 典型的集成 ADC芯片 53 ② 数字接口引脚 DB0～ DB7:8位数据输出线 CLKIN和 CLKR:时钟信号引 脚，用于芯片本身产 生时钟时外接电阻和 电容。 CS、 RD、 WR和 INTR:控 制与状态信号线 芯片本身产生时 钟的接法 fCLK≈1/ R CLKR ADC 0804 CLKIN 19 4 C 典型的集成 ADC芯片 54 控制与状态信号间的定时关系 : 典型的集成 ADC芯片 55 （ 3）使用方法 ① 转换器的零点不需调整， 但满量程电压值需进行调整。 ② 满量程调整方法：  先把输入电压 VI调整为比所希望的满量程电压 小 ,即： ( ) 1 . 5 ( )256V M A X V M I NV I V M A X   VMAX,VMIN分别为输入电压的最大值、最小值。  再调 VR/2端电压，使输出数字量为 11111110 到 11111111的过渡点。 典型的集成 ADC芯片 56 ③ VR/2端的具体接法与 Vi范围有关：  Vi=0～ 5V时，无需外接基准电压，内部会自动 使该端置为 ；  Vi=其它范围时， VR/2端应外接一大小等于 1/2（ VMAXVMIN)值的基准电压。 ④ Vi（ +）、 Vi（ ） 端的接法：  单端输入时， Vi()端接 AGND， Vi(+)端接 Vi；  差动输入时， Vi(+)端接 Vi正极， Vi()端接 Vi 负极； 典型的集成 ADC芯片 57  对双极性 Vi应通过附加电路输入： 总之，无论哪种输入形式，都应确保加到 Vi（ +） 和 Vi（ ） 间的电压在 0～ +5V范围之内，当超出时应先进行衰减。 ADC0804双极性输入连接法 典型的集成 ADC芯片 VCC Vi(+) ADC0804 Vi() Vi 177。 5V R R 6 7 20 5V C （ a） VCC Vi(+) ADC0804 Vi() Vi 177。 5V 2R R 2R 6 7 20 5V C （ b） 58 2. ADC 0808/0809 —— 不仅包括一个 8位逐次逼近型 ADC部分 ,还提供了一个 8通道模拟多路开关和通道寻址逻辑 ,可作为简单的数据采集系统。 (1) 主要性能指标和特性 分辨率 :8位 总的不可调误差 :ADC0808为177。 1/2LSB,ADC0809为177。 1LSB 转换时间 :取决于芯片时钟频率 (一般 CLK=500KHz,TCONV=128μS) 单一电源 : +5V 模拟输入电压范围 :单极性 0～ 5V； 双极性177。 5V,177。 10V(需外加电路 ) 数字输出方式： 具有可控三态输出缓存器 启动转换方式： 脉冲式 (正脉冲 ),上升沿使内部寄存器清零 ,下降 沿使 A/D转换开始 使用时不需进行零点和满刻度调节 典型的集成 ADC芯片 59 (2) 内部结构和外部引脚 典型的集成 ADC芯片 CLOCK START IN0 IN1 • • • IN7 通道选 择开关 ADDA ADDB ADDC ALE 通道地址 锁存和译码 比较器 A/D 定时和控制 逐次逼近寄 存器（ SAR） 开关树型 D/A VR(+) VR() 8位锁 存和三 态门 EOC OE （ MSB） D7 D6 • • • D0 （ LSB） 模拟输入 数字输出 60 (3) 工作时序 典型的集成 ADC芯片 61 (4) 使用说明 通道选择与启动转换既可用两条写指令分开控制 , 也可合起来用一条写指令控制。 输入通道的选择可有两种方法：通过地址总线选 择或通过数据总线选择。 如以中断驱动式作为。