第二章 輸入輸出接口和通道4

1、2 I/O接口技術(shù)和接口技術(shù)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(shè)計(jì)接口設(shè)計(jì) n2.4 I/O通道通道 n2.5 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 n2.6 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 2 2.6 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 n2.6.1 分類(lèi)分類(lèi) n2.6.2 主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù) n2.6.3 ADC0809及其接口電路及其接口電路 n本章小結(jié)本章小結(jié) 2.6.1 分類(lèi)分類(lèi) 1）逐位逼近式）逐位逼近式 2）雙積分式）雙積分式 3）計(jì)數(shù)器式）計(jì)數(shù)器式 4 1 1）逐位逼近式）逐位逼近式 5 再對(duì)下一位再對(duì)下一位D D2 2進(jìn)行比較，同樣先使進(jìn)行比較，同樣先使D

2、D2 2 1 1，與上一位，與上一位D D3 3位一起即位一起即 11001100進(jìn)入進(jìn)入D/AD/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為V VO O 12 12再進(jìn)入比較器，與再進(jìn)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(dāng)啟動(dòng)信號(hào)作用后，時(shí)鐘信號(hào)在控制邏輯作用下，當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)作用后，時(shí)鐘信號(hào)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(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓即換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓即V VO O 8 8，送到比較器輸入端與

3、被轉(zhuǎn)換的模，送到比較器輸入端與被轉(zhuǎn)換的模 擬量擬量V VININ = 9 = 9進(jìn)行比較，控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進(jìn)行判斷。當(dāng)進(jìn)行比較，控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進(jìn)行判斷。當(dāng) 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(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)果，存在輸出鎖存器中等

4、待輸出。的轉(zhuǎn)換結(jié)果，存在輸出鎖存器中等待輸出。 再下一位再下一位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(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，滿(mǎn)刻度值為轉(zhuǎn)換器，滿(mǎn)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(zhuǎn)換過(guò)程。試分析其逐次逼近的轉(zhuǎn)換過(guò)程。 V V q3125. 0 2 5 4 VV5 . 2 2 3125. 0 3 當(dāng)最高位置當(dāng)最高位置1時(shí)，對(duì)應(yīng)

5、轉(zhuǎn)換模擬電壓值為時(shí)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換模擬電壓值為 量化單位量化單位 課后第課后第11題。題。 7 2）雙積分式）雙積分式 8 轉(zhuǎn)換原理：在轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)控制下，開(kāi)關(guān)接通模擬輸入端，輸入轉(zhuǎn)換原理：在轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)控制下，開(kāi)關(guān)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(shí)間在固定時(shí)間T T內(nèi)對(duì)積分器上的電容內(nèi)對(duì)積分器上的電容C C充電（正向積充電（正向積 分），時(shí)間一到，控制邏輯將開(kāi)關(guān)切換到與分），時(shí)間一到，控制邏輯將開(kāi)關(guān)切換到與V VININ極性相反的基準(zhǔn)電極性相反的基準(zhǔn)電 源上，此時(shí)電容源上，此時(shí)電容C C開(kāi)始放電（反向積分），同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。開(kāi)始放電（反向積分），同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)

6、。 當(dāng)比較器判定電容當(dāng)比較器判定電容C C放電完畢時(shí)就輸出信號(hào)，由控制邏輯停止計(jì)數(shù)放電完畢時(shí)就輸出信號(hào)，由控制邏輯停止計(jì)數(shù) 器的計(jì)數(shù)，并發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。這時(shí)計(jì)數(shù)器所記的脈沖個(gè)數(shù)正器的計(jì)數(shù)，并發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。這時(shí)計(jì)數(shù)器所記的脈沖個(gè)數(shù)正 比于放電時(shí)間。比于放電時(shí)間。 放電時(shí)間放電時(shí)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 VIN IN，即輸入電壓大，則放 ，即輸入電壓大，則放 電時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值越大。因此，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值的大小反電時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值越大。因此，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值的大小反 映了輸入電壓映了輸入電壓V VIN IN在固定積分時(shí)間 在固定積分時(shí)間T T內(nèi)的平

7、均值。內(nèi)的平均值。 此種此種A/DA/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有輸出為轉(zhuǎn)換器的常用品種有輸出為3 3位半位半BCDBCD碼（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)）碼（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)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(yīng)用場(chǎng)合：信號(hào)變化緩慢、模擬量輸入速率要求較低，轉(zhuǎn)換精度應(yīng)用場(chǎng)合：信號(hào)變化緩慢、模擬量輸入速率要求較低，轉(zhuǎn)換精度 要求較高和現(xiàn)場(chǎng)干擾較嚴(yán)重的情況下。要求較高和現(xiàn)場(chǎng)干擾較嚴(yán)重的情況下。 優(yōu)點(diǎn)：消除干擾和電源噪聲能力強(qiáng)，精度高；缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度慢。優(yōu)點(diǎn)：消除干擾和電源噪聲能力強(qiáng)，精度高；

8、缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度慢。 9 分辨率是指分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入信號(hào)變化的敏感程度。分轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入信號(hào)變化的敏感程度。分 辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。通常用數(shù)字辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。通常用數(shù)字 量的位數(shù)來(lái)表示，如量的位數(shù)來(lái)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(mǎn)量程滿(mǎn)量程/ /2 2n n 2.6.2 主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù) 10 相對(duì)精度相對(duì)精度用相對(duì)于滿(mǎn)量程的百分比來(lái)表示。用相對(duì)于滿(mǎn)量程的百分比來(lái)表示。 2）轉(zhuǎn)換精度）轉(zhuǎn)換精度- -轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的

9、準(zhǔn)確度轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度 A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度可以用轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度可以用絕對(duì)精度絕對(duì)精度和和相對(duì)精度相對(duì)精度來(lái)表示。來(lái)表示。 絕對(duì)精度絕對(duì)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(lái)表示，來(lái)表示，1LSB = V1LSB = VREFREF/ 2/ 2n n 。 。 例如，對(duì)于一個(gè)例如，對(duì)于一個(gè)8位位05V的的A/D轉(zhuǎn)換器，求其分辨率、絕對(duì)誤差和轉(zhuǎn)換器，求其分辨率、絕對(duì)誤差和 相對(duì)百分誤差。相對(duì)百分誤

10、差。 分辨率為：分辨率為： mV V VFS 5 .19 256 5 2 8 絕對(duì)誤差為：絕對(duì)誤差為：mV5 .19 256 5 2 5 8 相對(duì)誤差為：相對(duì)誤差為： %39. 0%100 256 1 %100 2 1 8 11 A/D A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間稱(chēng)為轉(zhuǎn)換時(shí)間。如轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間稱(chēng)為轉(zhuǎn)換時(shí)間。如 逐位逼近式逐位逼近式A/D A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為微秒級(jí)，雙積分式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為微秒級(jí)，雙積分式A/DA/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級(jí)。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級(jí)。 3）轉(zhuǎn)換時(shí)間）轉(zhuǎn)換時(shí)間 課后第課后第12題。題。 12 2.6.3 ADC0809及其接口電路

11、及其接口電路 n 1）ADC0809芯片介紹芯片介紹 n 2）ADC0809應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 13 1） 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(zhuǎn)換器；分辨率為轉(zhuǎn)換器；分辨率為1/ 21/ 28 8 0.39 % 0.39 % 模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍是模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍是 0 - +5 V0 - +5 V；標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時(shí)間為；標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時(shí)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 14 IN0IN0IN7IN7：8 8路模擬量輸入端。允許模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)路模擬量輸入端。允許模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 ALE

12、ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入高電平有效。上升沿時(shí)鎖存：地址鎖存允許信號(hào)，輸入高電平有效。上升沿時(shí)鎖存3 3位通道選擇信號(hào)。位通道選擇信號(hào)。 A A、B B、C C：3 3位地址線(xiàn)即模擬量通道選擇線(xiàn)。位地址線(xiàn)即模擬量通道選擇線(xiàn)。ALEALE為高電平時(shí)，地址譯碼。為高電平時(shí)，地址譯碼。 STARTSTART：?jiǎn)?dòng)：?jiǎn)?dòng)A/DA/D轉(zhuǎn)換信號(hào)，輸入，高電平有效。上升沿時(shí)將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清轉(zhuǎn)換信號(hào)，輸入，高電平有效。上升沿時(shí)將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清 零，下降沿時(shí)啟動(dòng)零，下降沿時(shí)啟動(dòng)A/DA/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。 EOCEOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，高電平有效。：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，高電平有效。 OEOE：輸出允許信號(hào)，輸入

13、，高電平有效。該信號(hào)用來(lái)打開(kāi)三態(tài)輸出緩沖器，：輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。該信號(hào)用來(lái)打開(kāi)三態(tài)輸出緩沖器， 將將A/DA/D轉(zhuǎn)換得到的轉(zhuǎn)換得到的8 8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。 D0D0D7D7：8 8位數(shù)字量輸出。位數(shù)字量輸出。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(jī)數(shù)據(jù)總線(xiàn)直接相連。可與主機(jī)數(shù)據(jù)總線(xiàn)直接相連。 CLOCKCLOCK：外部時(shí)鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為：外部時(shí)鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為640kHz640kHz時(shí)，時(shí)，A/DA/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100100 s s。 VR+VR+，V

14、R-VR-：基準(zhǔn)電壓源正、負(fù)端。取決于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍，通常：基準(zhǔn)電壓源正、負(fù)端。取決于被轉(zhuǎn)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， 5VDC5VDC。 GNDGND：電源地。：電源地。 各引腳功能如下：各引腳功能如下： 15 ADC0809的內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)序的內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)序 ALE C.B.A START EOC OE DO7DO0 圖2-12 ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序 轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：轉(zhuǎn)換過(guò)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

15、模擬開(kāi)關(guān)中的某一路，后選通模擬開(kāi)關(guān)中的某一路， 使該路模擬量進(jìn)入到使該路模擬量進(jìn)入到A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 器中。同時(shí)器中。同時(shí)START START 的上升沿的上升沿 將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿 起動(dòng)起動(dòng)A/DA/D轉(zhuǎn)換，即在時(shí)鐘的作轉(zhuǎn)換，即在時(shí)鐘的作 用下，逐位逼近過(guò)程開(kāi)始，用下，逐位逼近過(guò)程開(kāi)始， 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOCEOC即變?yōu)榈图醋優(yōu)榈?電平。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，電平。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOCEOC 恢復(fù)高電平，此時(shí)，如果對(duì)恢復(fù)高電平，此時(shí)，如果對(duì) 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)。 16 2）應(yīng)用舉例）應(yīng)用

16、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(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換結(jié)束 信號(hào)以中斷方式與信號(hào)以中斷方式與CPU聯(lián)絡(luò)，聯(lián)絡(luò)， 采用采用74LS138作輸入通道地作輸入通道地 址譯碼器，要求畫(huà)出址譯碼器，要求畫(huà)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： nADC0809數(shù)據(jù)輸出帶三態(tài)輸出門(mén)，故可以直接接到數(shù)據(jù)輸出帶三態(tài)輸出門(mén)，故可以直接接到CPU數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 總線(xiàn)上；總線(xiàn)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(xiàn)位地址線(xiàn)A2A0分分 別接模數(shù)轉(zhuǎn)換器別接模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809的采樣地址

17、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(dòng)某一通路開(kāi)始轉(zhuǎn)換，即使用一條輸出指令即可啟動(dòng)某一通路開(kāi)始轉(zhuǎn)換，即使ADC0809 的的START和和ALE端得到一個(gè)啟動(dòng)正脈沖信號(hào)；端得到一個(gè)啟動(dòng)正脈沖信號(hào)； n轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADC0809從從EOC端發(fā)出一個(gè)正脈沖信號(hào)，通過(guò)端發(fā)出一個(gè)正脈沖信號(hào)，通過(guò) 中斷程序控制器中斷程序控制器8259A向向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷響應(yīng)中斷 后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。 18 例例2 將一個(gè)由電位器產(chǎn)生的模擬信將一個(gè)由電位器產(chǎn)

18、生的模擬信 號(hào)轉(zhuǎn)換成微機(jī)所能接受的數(shù)字號(hào)轉(zhuǎn)換成微機(jī)所能接受的數(shù)字 量信號(hào)，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入微機(jī)內(nèi)量信號(hào)，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入微機(jī)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(diǎn)取點(diǎn)取256256個(gè)。個(gè)。 需要轉(zhuǎn)換的模擬量靠電位器旋轉(zhuǎn)得需要轉(zhuǎn)換的模擬量靠電位器旋轉(zhuǎn)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(shí)開(kāi)始地址同時(shí)開(kāi)始A/DA/D采樣轉(zhuǎn)換；采樣轉(zhuǎn)換； ADC0809ADC0809時(shí)鐘頻率范圍為時(shí)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(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOCEOC產(chǎn)生中產(chǎn)生中 斷請(qǐng)求信號(hào)使斷請(qǐng)求信號(hào)使CPUCPU讀入轉(zhuǎn)換后的數(shù)讀入轉(zhuǎn)換后的數(shù) 據(jù)。程序略。據(jù)。程序略。 19 本章小結(jié)