计算机控制-输入输出通道与IO接口-1.ppt

上节主要内容回顾nI/O接口的功能¨缓冲、信号转换、驱动、中断管理等nI/O过程通道的构成方式¨板块、模块、网络nI/O信号种类：开关量、模拟量和脉冲信号nI/O控制方式¨程序控制（无条件、条件查询）、中断控制、DMA3.2 多路模拟开关n利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用 放大器或A/D转换器上，实现多路共享、多路复用n如图3.4(P64)所示的I/O通道结构形式，在输入、输出通道分别设置一个多路模拟开关，实现：¨将多个模拟量分时检测送入A/D转换器中（多到一，多路开关）；¨将D/A转换器输出的模拟信号逐个输出到相应的控制回路中（一到多，多路分配器）n常用的多路开关有CD4051(或MC14051)、AD7501、LF13508 等以RCA公司（Radio Corporation of America，美国无线电 公司)生产的CD4051为例来介绍多路模拟开关的原理CD4051 是8通道双向多路模拟开关，引脚、原理分别如图3.6、3.7（ P66）所示从原理上来看，它是一个电子开关阵列，每个开关由驱动器来 控制；驱动器由3位二进制代码A2、A1、A0和片选信号S的控制（地址译码， 见下页表3.1）。

多到一”：IO0~IO7输入，O/I输出；“一到多”：O/I输入，IO0~IO7输出电源、地引脚：VDD正电压（+5~+15V）；VEE负电压（-5~-15V）；Vss数字地表3.1 CD4051通道转换控制表多路模拟开关的主要指标n 转换速度：100ns~1μsn 开路静态电阻：大于109Ωn 导通静态电阻：小于100ΩCD4051并不是理想的开关，关断时有漏电流，导通时有阻抗为了减少多路开关导通电阻对信号传输精度的影响，要 求后面的负载阻抗足够大3.3 采样与保持采样：将时间上连续的模拟量转换为时间上离散的模拟量保持：将采样时刻得到的模拟量值保持下来，直至下一个采样时刻• 量化：用一组二进制码来逼近离散模拟信号的幅值，将离散模拟信号转换为数字信号 • 量化单位：把ymin~ymax范围内变化的采样信号变化为n位的二 进制数字（能表示的范围：0~2n-1），则其量化单位q为q =（ymax-ymin）/（2n-1）最低有效位（LSB，Least Significant Bit）所对应的模拟量¨量化过程：用量化单位q去度量采样值幅值大小的过程，如同人 们用单位长度(毫米或其它)去度量人的身高一样。

会涉及“小数归整” ，因而存在量化误差最大的量化误差不超过(±1/2)q ¨如q=20mV，则量化误差为±10mV也就是说0.990~1.010V范围 内的采样值，其量化结果相同，都是数字50¨量化后二进制数的大小和量化单位有关n越大，q越小，量化误差越小¨实现“量化”的装置是A/D转换器 •例：被采样的电压值范围-5V ~ +5V ，用8位二进制数表示分析其量化过程 分析：由已知，-5V~+5V范围内的任一电压值都将被量化为一个8位二进制数（ 00000000 – 11111111） ，-5V ~ +5V的电压范围将等分为256个等级量化单位q=10/255= 0.039V，即0.039V为一个等级 电压模拟 量二进制量 化值电压模拟 量二进制量 化值 -5V0000000 00V1000000 0 -4.961V0000000 10.039V1000000 1 -4.922V0000001 00.078V1000001 0 … …… …… …… … -0.078V0111111 04.922V1111110 0 -0.039V0111111 14.961V1111111 1采样保持器n采样保持器的工作方式：采样和保持采样和保持。

n S闭合， S/H在“采样采样” ”方式方式中，其输出VOUT跟踪（track）模拟输入电压VIN nS断开， S/H在“保持保持” ”方式方式中，其输出将保持采样命令撤销时刻的采样值，直到下一次采样命令采样保持器的主要参数：n采集时间（捕捉时间）：当S/H工作在“采样”方式时，其输出从原来的保持值转变到新的采样值，并保持稳定所需要的时间 n孔径时间：当S/H从“采样”切换到“保持”方式时，采样开关从 闭合转变为断开所需要的时间（在这段时间内，S/H的输出仍旧跟随输入端变化，造成孔径误差）例：S/H的输入信号为U=Umsinωt的正弦模拟信号分析可能引入的最大孔径误差为多少？分析：输入信号U的最大变化量为： dU/dt=Umωcosωt当ωt=kπ时刻，输入信号有最大变化量dU/dt=±Umω若在孔径时间内（“采样”切换到“保持”），输入信号刚好 发生了最大的变化，则S/H引入最大的孔径误差，即 emax=±Umω相对误差为：σ=±Umω/Um×100%=±2πf×100%由此，S/H的孔径误差σ和频率f成正比为了确保S/H的精度，可限制输入信号的频率或增加采样次数采样保持器的主要参数（续）n保持电压衰减率：保持电压下降的速率。

当S/H进入“保持”状态后，由于保持电容的漏电流以及其他杂散电流的存在，保持 电压随时间逐渐下降n加大保持电容CH，可减小保持电压衰减率，但会增加采集时间为此，必须合理选择保持电容n应选用漏电阻抗较大的电容，其值的大小根据实验确定一 般选用100pF~1000pF之间的聚四氟乙烯或聚苯乙烯电容（绝缘阻抗高，漏电流小）常用的S/H有三类： 1、通用型：LF398、AD582、AD583K等捕捉时间小于10us， 孔径时间在几十ns~100ns 2、高速型：THS-0025、THC-0300、THC-0060、THC-1500等 捕捉时间和孔径时间为20ns~30ns 3、高分辨率型：SHA1144，专门为14位A/D转换器所设计下面以LF398为例说明S/H的使用LF3983-模拟量输入端VIN； 5-模拟信号输出端VOUT； 8-S/H控制端：高电平1，采样 ；低电平0，保持 7-逻辑电平基准输入端依据8脚控制信号的电平，选择不同参考电压若7 脚接地，则8脚的控制信号要大于1.4V， “采样” 6-外接保持电容CH当CH=0.01μF时，可达到0.01%精度，捕获时间为25μs， 保持电压衰减率0.3mV/s。

2-调零端 1、4-VCC、VEE ， 其范围±5V～±15V将ADC0809的启动转换脉冲START连到LF398的引脚8上，作为S/H的控制脉冲在 START脉冲的下降沿启动A/D转换，同时使LF398“保持”，即在 A/D转换期间，LF398处于保持状态START835 VOUTLF398ADC0809INVIN例如，S/H的用法：控制输入 S/H启动A/D S/H“保持”3.4 A/D与D/A转换器3.4.1 A/D芯片A/D转换器有逐位逼近式、计数器式、双积分式等双积分 式精度高，转换速度较慢（几ms~几百ms，ms级） ，抗干扰能 力较强；逐位逼近式转换速度快（几μs~几百μs ，μs级），但精度没有双积分式高且抗干扰能力较差逐位逼近式能较好地兼 顾速度和精度，在16位以下的A/D中应用广泛而在信号变换缓慢，但现场干扰严重的场合宜选用双积分式常用的逐位逼近式A/D转换器有：ADC0809（8位）， AD574A（12位）双积分式A/D转换器有：MC14433（3位半 ，相当于二进制的11位），ICL7135（4位半，相当于二进制的 14位）A/D转换器的主要参数n1）分辨率（位数）n输入的模拟电压信号的范围：0~5V，若用一个8位A/D转换器 ，则分辨率为5000mV/28≈20mV。

表明此A/D转换器能分辨的最 小电压为20mVn若采用12位A/D转换器，最小能分辨电压5000mV/212≈ 1mVA/D转换器的主要参数（续）n2）转换时间¨从 “开始转换” 到A/D转换器输出稳定的数字量所需的时间¨通常，A/D芯片的转换时间在100us以下n3）转换精度¨A/D转换器输出的数字量所对应的输入电压值与理论上产生该数字量所对应的输入电压之差¨与A/D转换器的分辨率、线性度有关 理论输入 电压1.4 52.944.44实际输 入 电压1.3 72.854.52转换精度- 0.0 8- 0.090.08A/D转换器的主要参数（续）n4）偏移误差¨模拟输入电压为0时，A/D转换器输出的数字量¨可通过外加一个电位器将偏移误差调节至最小甚至为0n5）满刻度误差¨又称增益误差，满刻度输出的数字量对应的实际输入电压值与理 论输入电压值之差¨通常可通过外部电路进行调节¨一般在调节完偏移误差后，再调节满刻度误差n6）线性度¨实际的输出曲线与理论拟合直线之间的最大误差n逐位逼近式A/D的工作原理（1）从SAR输出的二进制码送至D/A，其输出电压Vf与模拟量输入Vin 比较 后，再通过控制时序逻辑控制SAR的数字逼近。

2）一旦SAR的输出等于Vin对应的二进制码，比较过程结束比较完毕后 ，SAR将二进制编码送入锁存器，等待CPU来读取逐位逼近式A/D转换器原理框图 Vin 模拟量输入数字量 输出 寄存器D/A转换器逐位逼近 寄存器 （SAR）控制时序 和 逻辑电路比较器－－+ +Vf（反馈电压）D D0 0~D~D7 7比较器：Vi＞Vf输出“1” Vi≤Vf输出“0”保留的砝码为 128g + 16g + 4g + 1g = 149g相当于转换的数码为D7~D0 = 1001010114916128重物砝码1427242220n对一个n位的逐位逼近式A/D 转换器输出的二进制数字量D与输入模拟电压VIN、基准电压VREF+、VREF-的关系为：常用的A/D转换芯片：ADC0809、AD574An8位A/D转换芯片ADC0809¨采用逐位逼近式原理¨芯片内集成了8路模拟开关和采样保持器；¨转换时间为100us¨线性误差为(±1/2)LSB¨28脚双列直插式（ Dual inline package ）封装nADC0809内部逻辑图、引脚图如图所示，引脚功能，如下：nIN7~IN0：8通道模拟量输入端。

nD7~D0：8位数字量输出端 反馈电压VfVin反馈电压VfVin控制逻辑：控制逻辑：（（1 1）八路模拟通道选择）八路模拟通道选择 C、B、A：通道号选择输入端，实现8选1 在ALEALE（（允许 地址锁存信号，宽度为100~200ns ）的上升沿将三位地址锁存 CBA所选通道 000VIN0001VIN1010VIN2011VIN3100VIN4101VIN5110VIN6111VIN7（（2 2））A/DA/D转换转换 START：“启动转换”命令输入端，高电平有效EOC：“转换结束”信号输出端 当START脚收到“启动转换”命令(正脉冲)，开始转换，100μs左右(64个时钟周期)后转换结束，EOC脚由低电平变为高电平（平时为高电平，转换开始后以及转换过程中均为低电平，转换一结束又变回高电平），可利用该 信号通知CPU读A/D转换结果（查询或中断方式）反馈电压VfVin 正在转换转换结束（（3 3）三态输出锁存缓冲器）三态输出锁存缓冲器OE：输出使能端在该引脚加上“高电平”，即“打开”数据锁存器的三态门，数字量输出到 数据总线D7~D0上若OE为“低电平”，则“关闭”数据缓冲器，“高阻态”。

反馈电压VfVinADC0809 转换时序图CBA①② 上升沿，锁存CBA的地址③下降沿，启动A/D转换④EOC低电平，A/D转换中⑤ EOC高电平，A/D转换结束⑥打开数据锁存器⑦数字量D7~D0数据线上上升沿 ADC内部寄存器清0nCLK：外部时钟脉冲输入典型 的时钟脉冲频率为640kHz，转换时 间为100us nREF+、REF-：参考电压输入端 ，提供A/D转换的基准电压通常，将REF-接。