《模拟io接口》ppt课件

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1、第十章 模拟I/O接口,10.0 概述 10.1 DAC及其与MPU的接口 10.2 ADC及其与MPU的接口,2,10.0 概 述,模拟I/O接口是模拟输入接口/模拟输出接口的 简称。 模拟输入接口也即模拟/数字转换器(ADC,A/D转换器)接口。 模拟输出接口也即数字/模拟转换器(DAC,D/A转换器)接口。,A/D、D/A转换器及其与计算机的接口在计算机 测控系统中的重要性,3,模拟I/O接口在计算机测控系统中的应用示例：,10.1 DAC及其与MPU的接口,D/A转换器原理 DAC的基本参数 典型的DAC集成芯片 DAC芯片与MPU接口技术,5,10.1.1 D/A转换器原理,DAC是

2、一种把二进制数字信号转换成模拟信号(电压或电流)的电路。,DAC按转换原理不同,可分为：,6,10.1.1 D/A转换器原理,1.T型电阻解码网络DAC,结构特点：,解码网络上方任一节点A、B、C、D都由三条支路相交而成，而且从任一节点向三条支路看过去的等效电阻都为2R；,从任一开关Si向上看过去的等效电阻都为3R。,此特点使得任一开关支路流进某节点的电流都等分为二，从该节点的另外两条支路流出去。,7,10.1.1 D/A转换器原理,T型电阻DAC的转换原理：,输出电流i0与D3D0位产生的输出电流分量有如下关系：,i0=i03+i02+i01+i00,从上述结构特点可直接分析推出：,(经1次

3、二等分到输出支路）,(经2次二等分到输出支路）,(经3次二等分到输出支路）,(经4次二等分到输出支路）,8,10.1.1 D/A转换器原理,所以,进一步得到输出电压V0:,9,10.1.1 D/A转换器原理,10,10.1.1 D/A转换器原理,T型电阻DAC的优缺点,主要优点：D/A转换的结果Vo只与电阻的比值 有关，而不取决于电阻的绝对值。,这为集成单元的制作提供了很大方便。,主要缺点：各位数码变化引起的电压变化到达 “运放”输入端的时间明显不相同。,这样,在输入数字量变化的动态过程中可能 在输出端产生很大的尖峰脉冲，从而带来较大的 动态误差，影响DAC的转换精度和转换速度。,11,10.

4、1.1 D/A转换器原理,2.倒T型电阻解码网络DAC,-是对T型电阻解码网络DAC的改进,12,10.1.1 D/A转换器原理,结构特点：,无论Si接1或接0,对应支路的电流Ii都恒定不变 (或者流入地，或者流入虚地)。,从右边向任一节点(A、B、C、D)看过去，等效电 阻均为R，且两支路电阻都等于2R。可见VR产生的 电流I每经一个节点即平均分流一次。,电阻网络中各支路的电流都直接流入“运放”输 入端，相互间不存在传输时间差，所以转换速 度较快，动态过程中输出端的尖峰脉冲较小。,13,10.1.1 D/A转换器原理,倒T型电阻DAC的转换原理：,14,10.1.1 D/A转换器原理,推广到

5、n位转换器，则有：,同样可见:,输出的模拟信号i0和V0与输入的数字信号的大 小成正比，从而实现了从数字量到模拟量的转换。,i0和V0除与输入数字量大小成正比外，还与R、 Rf和VR有关。实际中常通过调节VR（有时还有 Rf）来实现零和满刻度值调整。,15,10.1.2 DAC的基本参数,精度参数 速度参数 分辨率,16,1. 精度参数,-用于表明D/A转换的精确程度,一般用误 差大小表示。,精度特性常以满量程电压VFS的百分数或以最低有效位LSB的分数形式给出，有时也用二进制位数的形式给出。如：,精度为0.1%指最大误差为VFS的0.1%。,n位DAC的精度为1/2LSB指最大误差为 1/2

6、1/2nVFS=1/2n+1VFS。,精度为n位指最大误差为1/2nVFS。,17,10.1.2 DAC的基本参数,通常指输入数字量为满刻度值时，从输入加上到输出模拟量达到满刻度值或满刻度值的某一百分比(如90%)所需的时间。,18,19,10.1.3 典型的DAC集成芯片,种类繁多,功能、性能各异。, DAC芯片分类：,20,1. DAC0832,8位R-2R T型电阻解码网络芯片，转换结果以一对差动电流IO1和IO2输出。,10.1.3 典型的DAC集成芯片,21,10.1.3 典型的DAC集成芯片,(2)应用说明, 可工作于双缓冲方式 这时要有两级写操作，为此要提供2个端口地址,译码后分

7、别接到CS和XFER端。,双缓冲工作方式的优越性： 可转换和接收并行工作,利于提高速度； 适于需要多个模拟输出通道同时改变输出量的应用场合。,22,23,10.1.3 典型的DAC集成芯片,24, 如要输出双极性电压,应于输出端引入一个偏 移电路。,10.1.3 典型的DAC集成芯片,方法一：在单极性电压输出后再增加一级反相比例 求和“运放“作为偏移电路。,通常有两种引入方法：,25,运放A2(反相比例求和电路)使A1的输出电压Vo的两倍与参考电压VR求和，即:,10.1.3 典型的DAC集成芯片,26,方法二：在第一级“运放”的求和点增加一个偏移电阻 RB和一个偏移电压VB(=-VR)作为偏

8、移电路。,10.1.3 典型的DAC集成芯片,27,对应于上述双极性VO的输入数码称为偏移二进制码,简称偏移码。相应的双极性DAC则叫偏移码双极性DAC。,偏移码和原码、补码、反码同属双极性码。四者对应关系如下(以3位码为例):,偏移码与原码、补码、反码的符号位表示正好相反，并且同一个数的偏移码与补码除了符号位相反外数值位完全相同。,10.1.3 典型的DAC集成芯片,28, 有了偏移码双极性DAC,根据偏移码与补码的关 系,很容易实现补码输入双极性DAC。,上述有关IO变VO、单极性VO变双极性VO、偏移 码DAC变补码DAC的规律和方法,对其它各种DAC也同 样适用。,10.1.3 典型的

9、DAC集成芯片,如何实现？请思考。,29,2.DAC1210,(1) 内部结构与外部引脚：,基本结构与DAC0832相似,差别在于它是12位,第一级寄存器分成8位、4位两个,以适应同8位和16位/32位CPU的连接。,10.1.3 典型的DAC集成芯片,30,(2) 使用方法,与DAC0832差不多，差别主要有两点：, 单缓冲方式工作时(第二级直通),输出 有尖峰干扰出现,故与8位CPU接口时,必 须工作于双缓冲方式。, 两次写数的顺序只能是：先写高8位,后 写低4位。,10.1.3 典型的DAC集成芯片,因为两次写入都会使4位寄存器内容改变，而8位寄存器则不然。,为什么？,31,10.1.4

10、 DAC芯片与MPU接口技术,基本接口形式有两种：,1.与MPU总线直接相连,-适于内部有输入缓存器且D/A转换器位数小于等于MPU数据总线位数的DAC芯片。,这类接口只需利用地址译码电路提供内部输入寄存器的端口选通信号即可。,32,10.1.4 DAC芯片与MPU接口技术,2.通过I/O接口芯片与MPU总线相连,-适于内部无输入缓存器或者虽有输入缓存器但 D/A转换器位数多于MPU数据总线位数的DAC芯片。,(1)内部无输入缓存器的m位DAC与n位MPU(mn)的接口,这种接口只使用一个m位输入寄存器(锁存器)即可。,（以8位DAC与8位MPU的接口为例）,33,(2)mn时的m位DAC与n

11、位MPU的接口,这时要采用两级缓冲寄存器。具体接口方法又有两种(以12位DAC和8位MPU为例):, 每级用两个锁存器,10.1.4 DAC芯片与MPU接口技术,34, 低8位经两级缓存,高4位经一级缓存(反之也可),10.1.4 DAC芯片与MPU接口技术,35,一般8位以上DAC与8位MPU接口示例(以DAC1210与IBM PC总线的接口为例),(1)接口硬件逻辑:,10.1.4 DAC芯片与MPU接口技术,36,(2)接口驱动程序,假定被转换的12位数据已事先存放在BX寄存器的低12位,则完成一次D/A转换输出的接口驱动程序如下:,START:MOV DX,0220H ;DAC基地址送

12、DX寄存器 MOV CL,4 SHL BX,CL ;BX中12位数向左对齐 MOV AL,BH OUT DX,AL ;写入高8位 INC DX MOV AL,BL OUT DX,AL ;写入低4位 INC DX OUT DX,AL ;启动D/A转换(AL中为任意数均可） HALT,10.1.4 DAC芯片与MPU接口技术,10.2 ADC及其与MPU的接口,A/D转换的四个步骤 A/D转换器原理 ADC的性能参数 典型的ADC集成芯片 ADC芯片与MPU接口技术,38,10.2.1 A/D转换的四个步骤,采样保持量化编码,前两步在采样保持电路(S/H)中完成, 后两步在ADC电路中实现。,1.

13、采样和保持,采样-将时间上连续变化的模拟量转换为时间上 断续变化的(离散的)模拟量。也叫跟踪。,保持-将采样得到的模拟量值保持下来,使之等于 采样控制脉冲存在的最后瞬间的采样值。,39,10.2.1 A/D转换的四个步骤,采样保持电路基本原理图:,通常采用等时间间隔采样。为使采样保持得到的输出 信号在经过信号处理后可还原成原来的模拟输入信号, 要满足下列条件(采样定理):,fs2fimax,fs为采样频率,fimax为输入信号V1的最高次谐波分量,40,2.量化和编码,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

14、间上、数值上都离散的、量级化的等效模拟量。,10.2.1 A/D转换的四个步骤,41,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：,10.2.1 A/D转换的四个步骤,43,10.2.2 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。,44,1、ADC芯片分类,

15、直接ADCVi直接转换成数码,间接ADCVi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：,45,2、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,10.2.2 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。,10.2.2 A/D转换器原理,47,10.2.3 ADC的性能参数,与DAC基本参数相似，也有三类主要参数。,1、分辨率,ADC对Vi微小变化响应能力的度量。,它是数字输出

16、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。,2、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。,48,10.2.3 ADC的性能参数,3、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。,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,10.2.3 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。,50,10.2