第三章输入输出接口技术

第三章输入输出接口技术内容摘要：

框图 D0~D7 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 55 • 优点：转换速度快，转换时间固定 • 缺点：抗干扰能力差 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 56 例 :四位 A/D转换器 ,满刻度值 5V,现若输入 ,试分析其逐次逼近的转换过程 . 解 :量化单位 q=5/24= 1000: *23=,保留最高位 1 以此类推 ,最后为 1011 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 57 321 ΣΔ型 A/D转换器（ 1） • ΣΔ型 A/D利用取样频率为 Fs（ fs）的一系列粗糙量化数据，由后续的数字抽取器计算出模拟信号所对应的低取样频率 fs的高分辩率数字信号。 其实现主要基于过程取样、 ΣΔ调制和数字滤波。 抗混叠 模拟滤波器 Σ Δ 调制器 数字 滤波器 低位数据流 （ 1bit） 输入 数字 fs Fs 模拟信号 Fs 高位数据流 （ 16bit） 模拟 Σ Δ 型 A/D转换器的组成框图 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 58 321 ΣΔ型 A/D转换器（ 2） • ΣΔ型 A/D转换芯片 AD7715 – 价格便宜、分辨率高，不受噪声环境的影响 – 提供了一个增益为 3 128倍可编程放大器，一个数字滤波器和一套自校准电路 – 所提供的系统功能要比常用的积分型 A/D转换器强，而且避免了必须提供一个高质量积分电容的缺点 – 是工业和过程控制应用中的理想器件 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 59 （ 1） 分辨率 分辨率是指 A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。 分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。 通常用数字量的位数来表示，如 8位、 10位、 12位等。 分辨率为 n，表示它可以对满刻度的 1/ 2n的变化量作出反应。 即： 分辨率 = 满刻度值 /2n 量化误差和分辨率是统一的，提高分辨率，可减少量化误差。 二、 A/D转换器的性能指标 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 60 2. 转换精度 • A/D转换器的转换精度是指 A/D的实际输出接近于理想输出精确程度。 A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。 所谓 绝对误差 ，是指对应于一个给定数字量A/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。 绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。 相对误差 是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对 A/D转换器常用最低有效值的位数 LSB（ Least Significant Bit)）来表示， 1LSB = 1／ 2n。 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 61 一般来说 ， 位数 n越大 ， 其相对误差 （ 或绝对误差 ） 越小。 3. 转换时间 A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。 如逐位逼近式 A/D 转换器的转换时间为微秒级 ， 双积分式 A/D转换器的转换时间为毫秒级。 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 62 • 例：一个 12位 A/D，输入电压范围 5V （ 1）分辨率。 （ 2）能够辨别的最小电压。 解： 1） 2） 5 *102=*102 212 10*1 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 63 量化误差：由于用有限二进制数字对模拟数值进行离散取值 （ 量化 ） 而引起的误差 ， 用如下表示： )()(S nTfnTfe — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 64 t)(S nTfoq q23 q45 q6T T3T2 T4 T5t)( nTfoq q23 q45 q6T T3T2 T4 T5— 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 65 三、数据的采集与转换的应用问题 孔径误差 ftVV m 2sinftVdtdV m  2c o s2fVdtdV m 2)( m a x Amm ftVV 2 %1002  AV ft— 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 66 例 :一个十位的 A/D转换器误差百分数 %, 则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为多少 ?(16HZ) st A 10%1002  AV ft— 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 67 五、常用 A/D转换器 • A/D转换器与 CPU的接口方式由它们之间数据传输方式决定 – 并行接口和串行接口 • 接口类型一般有三种 ， 由 A/D转换器与 CPU之间的联系方式决定 – 查询法 – 定时法 – 中断法 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 68 逐位逼近式 A/D芯片介绍 • 逐位逼近式 A/D芯片品种很多，可满足各种需要 • 8位 A/D转换器芯片 • 12位 A/D转换器芯片 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 69 典型的 A/D转换芯片 ADC0809 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 70 1） 8路 8位 A／ D转换器，即分辨率 8位 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为 100μs 4）单个＋ 5V电源供电 5）模拟输入电压范围 0～＋ 5V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为 40～＋ 85摄氏度 7）低功耗，约 15mW。 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 71 ADC0809的工作过程是：首先输入 3位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。 此地址经译码选通 8路模拟输入之一到比较器。 START上升沿将逐次逼近寄存器复位。 下降沿启动 A／ D转换，之后 EOC输出信号变低，指示转换正在进行。 直到 A／ D转换完成，EOC变为高电平，指示 A／ D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。 当 OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 •1. ADC0809的内部逻辑结构 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 72 •2. 引脚结构 •ADC0809采用双列直插式封装 ， 共有 28条引脚。 其引脚结构如图所示。 IN 5D 7D 6D 0D 1 D 2D 3D 4D 5V ref(+)OEGNDV ccA D D CA D C 0 8 0 91109876543220141516171819131211IN 3IN 4IN 7IN 6S T A R TEOCC L O C KV ref()A L EA D D AA D D BIN 0IN 1IN 22827262524232221图 ADC0809引脚图 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 73 • 引脚结构 • （ 1） IN7~IN0： 8条模拟量输入通道 • （ 2）地址输入和控制线： 4条 • （ 3）数字量输出及控制线： 11条 • （ 4）电源线及其他： 5条 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 74 各引脚功能如下：  IN0～ IN7： 8路模拟量输入端。 允许 8路模拟量分时输入，共用一个 A/D转换器。  ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 上升沿时锁存 3位通道选择信号。  A、 B、 C： 3位地址线即模拟量通道选择线。 ALE为高电平时，地址译码与对应通道选择见表格。  START：启动 A/D转换信号，输入，高电平有效。 上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动 A/D转换。  EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。  OE：输出允许信号，输入，高电平有效。 该信号用来打开三态输出缓冲器，将 A/D转换得到的 8位数字量送到数据总线上。  D0～ D7： 8位数字量输出。 D0为最低位， D7为最高位。 由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 75 CLOCK：外部时钟脉冲输入端。 当脉冲频率为640kHz时， A/D转换时间为 100s。 VR+， VR：基准电压源正、负端。 取决于被转换的模拟电压范围，通常 VR+ = 5V DC， VR = 0V DC。 Vcc：工作电源， 5VDC。 GND：电源地。 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 76 表 被选通道和地址的关系 C B A 选中通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 77 ADC0809的内部转换时序 ALEC .B .AST A R TE O COED O 7 ~ D O 0图 2 1 2 A D C 08 0 9 的 转 换 时 序图 ADC0809的转换时序 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 78 3． AD574芯片介绍  AD574A是一种高性能的 12位逐位逼近式 A/D转换器  分辨率为 1/212 = %  转换时间为 25μs, 适合于在高精度快速采样系统中使用  内部结构大体与 ADC0809类似，由 12位 A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器与 10V基准电压源构成，可以直接与主机数据总线连接，但只能 输入一路模拟量  AD574A也采用 28脚双立直插式封装 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 79 图 317 AD574A原理框图及引脚 — 计算机控制系统 — 燕山大学自动化系 2020/11/17 第三章 计算机输入输出接口技术 80 各引脚功能如下：  Vcc：工作电源正端， +12 VDC或 +15 VDC。  VEE：工作电源负端， 12 VDC或 15 VDC。  VL：逻辑电源端， +5 VDC。 虽然使用的工作电源为 12VDC或 15 VDC， 但数字量输出及控制信号的逻辑 电平仍可直接与 TTL兼容。  DGND， AGND：数字地，模拟地。  REF OUT：基准电压源输出端，芯片内部基准电压源为 + V1％。  REF IN：基准电压源输入端，如果 REF OUT。