测试系统的接口技术和总线技术

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1、第三章 测试系统的接口技术和总线技术,测试系统接口和总线技术,接口技术是建立自动测试系统的重要环节，接口是自动测试系统与 外界之间或系统内部各环节之间相互传递信息的渠道和桥梁。计算机可 以通过接口将各种程控指令送入测试系统，以此调整和控制被测对象的 工作状态。总线是实现芯片与芯片之间、模块与模块之间、系统与系统 之间及系统与控制对象之间信息传递的各种信号的集合。 教学基本要求： (1) 了解测试系统接口的概念；掌握A/D转换的基本原理、主要参数 和选择原则；了解常用A/D转换器及接口电路设计 (2) 了解串行通信的概念；掌握串行通信方法及RS-232接口标准；了 解常用的串行通信接口电路设计；

2、 (3) 了解总线的概念和常用的总线标准；熟悉常用的PC系列总线；,3.1 A/D转换技术,3.1 A/D转换技术 A/D转换器是将输入的模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备，即 能把被测量对象的各种模拟消息变成计算机可以识别的数字信息，它是模 拟系统和数字系统或计算机之间的接口。 3.1.1 模拟-数字转换基本过程,图3-1 模拟-数字转换基本过程,3.1 A/D转换技术-A/D转换过程1,图3-2 A/D转换过程,1、A/D转换过程,3.1 A/D转换技术-A/D转换过程2,1、A/D转换过程 (1) 采样连续信号在时间上的离散化 采样方法：每隔一定时间TS,从连续信号中抽取一个瞬时数据

3、。 采样定理：fS=2fm 采样保持：为后续的量化过程保持信号一段时间。 图5-40 采样保持器（S/H）原理 (2) 量化采样后的模拟量在幅值上的离散化 量化方法：将模拟量与一模拟基准量进行比较，就如用砝码称重一样。 量化增量 (3) 编码 编码的目的：将量化后的规定范围内的有限个值的数字量，用0、1两个符号转换成二进制数码。,3.1 A/D转换技术-转换原理1,3.1.2 常用A/D转换器转换原理 A/D转换器的种类很多，按其转换原理分，主要有逐次逼近式、积分 式、计数式和并行式A/D转换器。 双积分式A/D转换器具有抗干扰能力强，转换精度高，性能价格比高的 特点，常用于数字式测量仪表或非

4、高速数据采集过程中；逐次逼近式转换器 兼顾了转换速度和转换精度两方面的指标，是测试系统中应用最广泛的A/D 转换器件；并行A/D转换器的转换速度最快，但结构复共、成本高，适合转 换速度极高的场合。计数式AD转换器结构很简单，但转换速度也很慢， 目前很少采用。,3.1 A/D转换技术-转换原理2,(1) 计数式A/D转换器 计数式A/D转换器的工作原理 让采样后的模拟信号电压直接与一标准模拟电压进行比较，若相等，则 输入电压即转换成标准电压所对应的数字量输出。 计数式A/D转换器的特点 对每个采样值都要从计数器低位开始从头计数逐渐逼近，因而转换速度 慢，且对不同模拟输入，转换时间不同。结构简单、

5、工艺性好，易于集成。 图5-42 计数式A/D转换器原理,3.1 A/D转换技术-转换原理3,(2) 逐次逼近式A/D转换器 逐次逼近式A/D转换器工作原理 逐次逼近式A/ D转换器也是利用电压比较原理，但由于初始标准模拟电 压取为全量程的一半 ，即计数器从高位开 始，逐位比较，因而 转换速度大大提高， 而且要求转换的精度 越低，速度越快。比 较于计数式A/D转换， 实现了算法上的优化。,3.1 A/D转换技术-转换原理4,(3) 双积分式A/D转换器 双积分式A/D转换器的工作原理 采用间接转换方式工作，先将模拟电压转换成时间量，然后再将时间量 转换为数字量。实际上是一种V/T(电压时间)转

6、换器。 主要电路是积分器，还有比较器、正负基准电压源、控制电路、计数器 和时钟脉冲。 三个工作阶段：积分（充电）、反积分（放电）和结束阶段 工作原理：在固定时间（T1）内对积分器中的电容充电，在时段T2中对 电容放电，记录放电时间T2，它和充电电压（比较器上所加的待转换电压） 成正比。 双积分式A/D转换器的特点,3.1 A/D转换技术-转换原理5,(3) 双积分式A/D转换器 双积分式A/D转换器的工作原理 双积分式A/D转换器的特点,3.1 A/D转换技术-转换原理6,3.1 A/D转换技术-转换原理7,(4) 并行式A/D转换器 特点：并行式A/D转换器是一种转换速度最快，转换原理最只管

7、的A/D转换技术，它克服了N位逐次逼近式A/D转换完成一次转换需要进行N次比较的缺点，大大提高了A/D转换的速度。 8路并行式A/D转换器原理结构（图3-4） 由电阻分压网络、比较器、段鉴别“与”门、编码电路等组成。 并行式式A/D转换器的工作原理 同时建立多路比较电路，一次性完成多量值比较，统一编码，形成转换 数字量。相当于一次性完成多种量值砝码的称重。 转换器系统结构复杂，对N位并行式A/D转换器，分压电阻网络需要2N 个分压电阻、2N个比较器和段鉴别“与”门，因此制造困难，成本高，只用 于对转换速度要求极高的系统。,3.1 A/D转换技术-转换原理8,表3-1 多种A/D转换原理比较,3

8、.1 A/D转换技术-性能指标1,3.1.3 A/D转换器主要技术指标 (1) 分辨力 指A/D转换器可转换成二进制数的位数或BCD码的位数，也可认为是 A/D转换器可转换成数字量的最小电压。分辨的输入模拟电压相对值表示。 例如，8位的ADC0809，转换满量程5V的电压，其分辨率为1LSB，用 百分数表示为： 用可转换的最小电压表示为： 可见，A/D转换器的位数越多，分辨率就越高，但转换速度就越慢。,3.1 A/D转换技术-性能指标2,(2) 转换精度 出现误差的原因： 模拟误差(比较器、电阻值以及基准电压波动) + 数字误差(失码误差和量 化误差) 模拟误差由器件质量决定，为非固定误差；数

9、字误差和ADC位数有关。 转换精度的实质：全量程的相对误差 (3) 转换时间与转换速度 转换速度的定义：A/D转换器完成一次转换所需时间。 转换速度越快越好，特别是对动态信号采集。 常见的A/D转换速度：超高速型（转换时间 1ns）、高速型（转换时间 1us）、中速型（转换时间 1ms）和低速型（转换时间 1s）。 影响转换速度的因素：A/D转换原理和位数 转换速度对最高采样频率的限制采样定律,3.1 A/D转换技术-性能指标3,(4) 量化误差 * 产生原因：有限数字对模拟数字进行离散取值而引起 * 衡量单位：数字量的最低有限位(1/2LSB) * 提高分辨率可减少量化误差 (5) 电源抑制

10、比(PSRR) * 反映了A/D转换器对电源电压变化的抑制能力 注意：分辨率和量化误差参数仅对A/D过程，而转换精度是相对A/D转换器的整个过程而言，量化误差仅是转换误差中的一种。,3.1 A/D转换技术-选择原则,3.1.4 A/D转换器的选择原则 * 重点考虑分辨率和转换时间两个重要参数 (1) 根据测试系统的总误差要求，遵循系统误差分配原则，确定A/D转 换器的精度和分辨率。 (2) 根据系统使用范围、被测信号的变化率以及转换精度，确定A/D转 换器的转换时间。 (3) 根据计算机接口电路特征，选择A/D转换器的输出状态。如：串行 输出还是并行输出；输出数字代码形式；参考电压采用内部还是

11、外加 的、是固定的还是可调的等。 (4)根据A/D转换器的工作条件选择芯片的一些环境参数，如工作环境 温度、湿度、电源电压稳定度、芯片功耗、可靠性等级等。 (5)要综合考虑成本、资源及芯片的来源等因素。,3.1 A/D转换技术-接口方法1,3.1.5 A/D转换器与微处理器的接口方法 1. AD转换器接口的任务 A/D转换器与微处理器的接口，要实现ADC与CPU的双向信息交 互，般要充成以下几个操作； (1) 发转换启动信号。 (2) 取回“转换结束”状态信号：该信号可作查询的依据，或利用它产生“中断请求”或“DMA请求”。 (3) 读取转换数据：当得到转换结束信号后，在CPU控制下，采用查询

12、方式或中断方式将数据读入内存，或者在DMA控制下，直接读入内存。 (4) 进行通道寻址：对具有多路模拟量输入通道的系统需要通道寻址以选择相应的模拟量输入通道。 (5) 发S/H控制信号：对高速信号进行AD转换时，一般需要设置采样保持器、所以接口要对采样保持器发控制信号，以进行采样/保持操作。,3.1 A/D转换技术-接口方法2,2. AD转换器接口形式 根据AD转换器接口电路结构形式，ADC芯片与CPU接口有如下几种： 与CPU直接连接：内部带有数据输出锁存器和三态门，如AD574A、 ADC0809、ADC08016等。它们的数据输出端可以直接与CPU的数据总线 相连。这种接口电路简单，成本

13、低，是目前应用较多的A/D转换器接口。 (2) 利用三态门与CPU连接: 需外接三态门锁存器，才能与CPU相连。 (3) 通过I/O接口芯片与CPU连接，无需附加电路，简化接口设计。 (4) DMA传送数据：在接口板上增加RAM，采用DMA数据传送方式，直 接将ADC板数据传输到计算机的RAM中，适合高频的大数据量传送，可 减小系统总线占有率，提高CPU工作效率并可增强数据传送可靠性。 (5) 集成A/D转换芯片的单片微机，如Intel8096系列高档单片机。,3.1 A/D转换技术-接口电路设计1,3.1.6 常用A/D转换器及接口电路设计 (1) 8位单片逐次逼近式A/D转换器ADC080

14、1 8位8输入逐次逼近式A/D转换器ADC0809 性能指标：采用+5V电源，工作时钟典型值为640kHz，转换时间为100us，分辨率为8位，总失调误差为1LSB；模拟量输入电平范围为0-5V，不需零点和满度调节；内部具有8通道选择开关，可输入8路模拟信号；数字量输出采用三态逻辑，输出符合TTL电平。 内部结构：主要由8路模拟选择开关、地址锁存与译码器、A/D转换器和三态输出锁存器等。 引脚功能：28脚双列直插式封装。包括模拟信号输入线8条、地址线3条、数字量输出线8条、控制线4条、电源及其它5条。 与MCS-51的硬件连接 (3) 12位A/D转换器AD574A,3.1 A/D转换技术-接

15、口电路设计2,3.1 A/D转换技术-接口电路设计3,3.1 A/D转换技术-接口电路设计4,ADC0809与MCS-51的硬件连接： 外部时钟利用8031地址锁存器允许信号ALE经触发器分频后接到ADC0809的 CLOCK输入端 数据线与地址线复用P0口通过外接一片地址锁存器将其分离，从而构成8位数据总线和16 位地址总线的低8位； ADC0809具有通道地址锁存功能，故模拟输入通道地址的译码输入ADDA/ ADDAB/ADDC由P0.0P0.2直接提供。 A/D后的数字量输出直接与8031的数据总线相连ADC0809具有“三态输出数据锁存器” 8031采用中断方式读取ADC0809的转换

16、数据EOC线经反相器和8031的INT1线相连。,3.1 A/D转换技术-接口电路设计5,3.2 串行通信接口,3.2.1 串行通信接口概述 系统之间的信息交换即所谓通信。常用的通信方式有并行通信和串行通信两种。目前计算机系统中常用串行通信，由于计算机内部数据传送采用并行通信，若要实现计算机和外部设备之间的串行通信就需要种接口电路完成串行-并行数据传送方式的双向转换，这种接口电路称为串行接口。 串行通信接口的工作过程和特点 计算机在接收数据时，由串行接口沿着一条传输线一位一位地接收数 据当一帧数据接收完后，由串行接口将串行数据转换为并行数据供CPU 读取；当计算机发送数据时，由CPU把数据传送给串行接口，再由申行接 口通过一条传输线在发送时钟的触发下一位位地把数据传送出去。串行 通信所用的传输线少并可借助现成的电话网