【教学课件】第十章模拟IO接口.ppt

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,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,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,10.1.1 D/A转换器原理,DAC是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：,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。,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）,10.1.1 D/A转换器原理,所以,进一步得到输出电压V0:,10.1.1 D/A转换器原理,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。,10.1.1 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,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。,10.1.1 D/A转换器原理,倒T型电阻DAC的转换原理：,10.1.1 D/A转换器原理,推广到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。,10.1.2 DAC的基本参数,精度参数速度参数分辨率,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 1/21/2nVFS=1/2n+1VFS。,精度为n位指最大误差为1/2nVFS。,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。,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：,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,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。,10.1.3 典型的DAC集成芯片,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：,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,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)作为偏移电路。,10.1.3 典型的DAC集成芯片,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,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DAC集成芯片,如何实现？请思考。,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,(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？,10.1.4 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。,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）,(2)mn时的m位DAC与n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,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,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,(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,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.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。,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,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,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。,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,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。,1、ADC芯片分类,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：,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：,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,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。,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。,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。,10.2.4 典型的集成ADC芯片,ADC芯片一般都有4种基本信号引线：,选用ADC芯片时，除必须考虑其技术要求外，通常还需了解芯片以下两方面特性：,是脉冲控制式，还是电平控制式,是否有可控三态输出,1.ADC0804,8位逐次逼近式ADC芯片,（1）主要性能指标和特性,模拟输入电压：单极性05V；双极性5V，10V,单一电源：+5V,转换时间:100s,转换精度:1LSB,数字输出方式：具有可控三态输出缓冲器,启动转换方式：脉冲式,芯片工作时钟：可由CPU提供，也可通过外接电阻、电容在芯片内部自行产生。,10.2.4 典型的集成ADC芯片,（2）引脚功能,10.2.4 典型的集成ADC芯片,数字接口引脚,DB0DB7:8位数据输出线,CLKIN和CLKR:时钟信号引 脚，用于芯片本身产 生时钟时外接电阻和 电容。,芯片本身产生时 钟的接法,10.2.4 典型的集成ADC芯片,控制与状态信号间的定时关系:,10.2.4 典型的集成ADC芯片,（3）使用方法,转换器的零点不需调整，但满量程电压值需进行调整。,满量程调整方法：,先把输入电压VI调整为比所希望的满量程电压 小1.5LSB,即：,VMAX,VMIN分别为输入电压的最大值、最小值。,再调VR/2端电压，使输出数字量为 11111110 到 11111111的过渡点。,10.2.4 典型的集成ADC芯片,10.2.4 典型的集成ADC芯片,对双极性Vi应通过附加电路输入：,总之，无论哪种输入形式，都应确保加到Vi（+）和Vi（-）间的电压在0+5V范围之内，当超出时应先进行衰减。,ADC0804双极性输入连接法,10.2.4 典型的集成ADC芯片,2.ADC 0808/0809,不仅包括一个8位逐次逼近型ADC部分,还提供了一个8通道模拟多路开关和通道寻址逻辑,可作为简单的数据采集系统。,(1)主要性能指标和特性,分辨率:8位,总的不可调误差:ADC0808为1/2LSB,ADC0809为1LSB,转换时间:取决于芯片时钟频率(一般CLK=500KHz,TCONV=128S),单一电源:+5V,模拟输入电压范围:单极性05V；双极性5V,10V(需外加电路),数字输出方式：具有可控三态输出缓存器,启动转换方式：脉冲式(正脉冲),上升沿使内部寄存器清零,下降 沿使A/D转换开始,使用时不需进行零点和满刻度调节,10.2.4 典型的集成ADC芯片,(2)内部结构和外部引脚,10.2.4 典型的集成ADC芯片,(3)工作时序,10.2.4 典型的集成ADC芯片,(4)使用说明,10.2.4 典型的集成ADC芯片,3.AD574A,12位逐次逼近式ADC芯片。分AJ、AK、AL、AS、AT、AU六个等级。,(1)主要技术指标和特性,非线性误差：1LSB或1/2LSB(因等级不同而异),电压输入范围:单极性0+10V,0+20V;双极性5V,10V,转换时间:35S,供电电源:+5V,15V,启动转换方式：由多个信号联合控制，属脉冲式,输出方式：具有多路方式的可控三态输出缓存器,无需外加时钟,内含基准电压源：可外加VR,也可通过VO(R)与Vi(R)相 连而自己提供VR,可进行12位或8位转换,12位输出可一次完成,也可两次完成(先高8位,后低4位),10.2.4 典型的集成ADC芯片,(2)内部结构与引脚功能,10.2.4 典型的集成ADC芯片,Vi(10)为010V和5V输入端,Vi(20)为020V和10V输入端,Vi(R)、VO(R)为参考电压输入、输出端,12/8为输出数据方式选择端,A0为转换数据长度选择端,R/C为读出/转换选择端,STS为转换状态输出端,10.2.4 典型的集成ADC芯片,(3)操作控制与工作时序,操作控制真值表,10.2.4 典型的集成ADC芯片,控制定时方式:,有普通和独占两种方式。,10.2.4 典型的集成ADC芯片,工作时序,10.2.4 典型的集成ADC芯片,(4)使用方法,模拟输入连接方式,10.2.4 典型的集成ADC芯片,数字输出连接方式(与微机接口方式),与16位以上微机总线接口时,可采用12位一次并 行输出方式,既可按普通方式也可按独占方式发 启动转换信号,外部定时启动和内部软件启动均 可。,与8位微机总线接口时,应采用分2次输出12位数 据的方式,使12/8=0、CS=0、CE=1、R/C=1,A0受 控:A0=0时输出高8位，A0=1时输出低4位(并自 动后跟4位0)。,10.2.4 典型的集成ADC芯片,10.2.5 ADC芯片与MPU的接口技术,1.ADC与MPU接口的基本功能:,向ADC转发启动转换信号(通过输出指令),向CPU提供转换结束信号(以查询、中断或DMA方式),把转换好的数据送入MPU(通过输入指令),如采用软件或硬件延时等待式I/O同步,功能可以省略。,10.2.5 ADC芯片与MPU的接口技术,2.影响接口方法的主要因素(4方面),启动转换方式,数据输出结构,CPU与ADC的同步控制方式,ADC与CPU数据总线的相对位数,ADC位数是小于等于还是大于CPU数据总线位数这决定了在ADC与CPU之间是加一级还是两级缓冲寄存器。,是中断驱动式、程序查询式、DMA方式还是延时等待式。这决定了把转换结束信号传给CPU的方法,3.同步控制方式对ADC接口的影响,10.2.5 ADC芯片与MPU的接口技术,(2)查询式接口-EOC作为被查询状态信号,10.2.5 ADC芯片与MPU的接口技术,(3)DMA式接口-EOC作为DMA请求信号,(4)等待式接口,又有三种形式：,CPU等待型-EOC作为CPU的等待信号(WAIT或READY),10.2.5 ADC芯片与MPU的接口技术,4.ADC和MPU的位数对ADC接口的影响,(1)ADC位数小于等于MPU位数时的接口,(以ADC0804和IBM PC总线的接口为例),10.2.5 ADC芯片与MPU的接口技术,以上页图的接口电路为基础完成一次A/D转换，并将转换结果存入某指定存储单元M的程序段如下：,MOV AX,SEG M;DS:BX指向M MOV DS,AX MOV BX,OFFSET M CONV:OUT Port1,AL;启动A/D转换 POLL:IN AL,Port2;读INTR状态 AND AL,01H;只查询D0位 JNZ POLL;为1，继续查询 IN AL,Port1;为0，读转换结果 MOV BX,AL;将结果存入指定存储单元M,10.2.5 ADC芯片与MPU的接口技术,如采用中断式接口则电路更简单：只需提供一个端口地址Port1,同时将ADC0804的INTR直接(或经一反相器)连到总线上某个中断请求输入端即可。,主程序中主要用一条输出指令“OUT Port1,AL”启动A/D转换；中断服务程序中则主要以输入指令IN AL,Port1读取转换结果。,10.2.5 ADC芯片与MPU的接口技术,驱动程序也很简单：,(2)ADC位数大于MPU位数时的接口,(以12位ADC与8位MPU的接口为例),这时,就不能只用一条输入指令,而必须用两条输入指令才能把A/D转换的整个数字结果取到MPU中。,具体接口方法与ADC芯片的数据输出控制特性有直接关系。,10.2.5 ADC芯片与MPU的接口技术,ADC芯片提供2个数据输出允许信号(高、低字节允许 信号)时,比较简单,只需提供2个输出端口地址即可。,10.2.5 ADC芯片与MPU的接口技术,ADC芯片未提供2个数据输出允许信号时，必须在 接口中加缓冲锁存器,以适应高、低字节分别读 取的要求。,10.2.5 ADC芯片与MPU的接口技术,分辨率大于MPU位数的ADC与MPU的接口实例:,(以12位分辨率的AD574A同8位PC总线的查询式接口为例),10.2.5 ADC芯片与MPU的接口技术,以上页图的电路为基础,采集100个数据的软件驱动程序如下：,MOV SI，400H；存放数据内存首址START：MOV DX，312H；启动12位转换（A0=0）OUT DX，AL MOV DX，310H；读状态，查STS是否为0LOOP：IN AL，DX AND AL，80H JNZ LOOP；不为0，仍在转换，循环查询 MOV DX，312H；为0，先读高8位 IN AL，DX MOV SI，AL；送内存 INC SI；内存地址加1 MOV DX，313H；再读低4位 IN AL，DX MOV SI，AL；送内存 INC SI；内存地址加1 DEC CX JNZ START；采集未完，继续 HLT；采集完，暂停,10.2.5 ADC芯片与MPU的接口技术,MOV CX，64H；采集次数设置,模拟I/O通道建立,模拟I/O通道概述模拟输入通道的结构形式模拟输出通道的结构形式模拟多路开关与采样保持器模拟I/O通道的设计和建立,1.模拟I/O通道概述,(1)模拟输入通道,-微机用于对单个/多个模拟量进行采集的A/D通道，也叫前向通道。,建立目的：参数测量、数据采集、状态监视。,基本组成：,(2)模拟输出通道,-微机用来发送单路/多路模拟信号的D/A通 道，有时也叫后向通道。,建立目的：参数控制、记录显示,基本组成：,2.模拟输入通道的结构形式,单路通道,多路通道,(1)不带采样保持器的单路模入通道,VI,ADC,I/O接口,MPU,这是最简单的模入通道，实际上就是ADC及其与MPU的接口。,一般只采集一个点的直流或低频信号时可用它。,适用条件：,Vi,=,max,dVi,dt,max,TCONV,VFS,2,n,=q,(2)带采样保持器的单路模入通道,VI,S/H,ADC,I/O接口,MPU,当Vi的变化率较大，以致,时，应采用它。,(3)各路独立转换的多路模入通道,VI2,VIn,S/H,ADC,I/O,MPU,特点：各路都有自己独立的A/D转换通道，可同时采样、同时转换、同时得到转换结果。,优点：采样频率可达到几乎与单路一样高。,适用范围：特别适于要求描述系统性能的各项参数必须是同一时刻数据的高速采集、控制系统。,(4)同时采样、分时转换型多路模入通道,特点：各路都有自己独立的放大、采样保持器，然后通过模拟多路开关分时复用ADC，实现并行采样、串行转换。,优缺点：比各路独立转换模入通道节省了硬件，降低了成本，但影响精度和速度。,适用范围：在多点参数巡回检测系统中，应用非常广泛。,(5)分时采样、分时转换型多路模入通道,特点：将各路分时共享的范围扩大到全套A/D通道设备。,优缺点：比同时采样、分时转换型进一步节省了硬件，降低了成本，但速度更慢。精度与之差不多。,适用范围：在实际测控系统特别是多点参数巡回检测系统中应用特别广泛。,3.模拟输出通道的结构形式,单路通道,多路通道,(1)单路模出通道,MPU,I/O接口,DAC,VO,（数据缓存器）,实际上就是DAC及其与MPU的接口,(2)数字分配型多路模出通道有两种结构形式。,口地址译码,MPU,DB,AB,数据寄存器,DAC,DAC,数据寄存器,VO1,VOn,特点：各路通道分时送数、分时D/A转换、分时输出模拟量。CPU将表示各路输出数据的数字量分配给相应通道。,说明：如果DAC芯片上含有输入缓存器(大多数DAC芯片 都是如此)，则图中各个数据寄存器不必另加。,结构形式一：,结构形式二：,特点：各路通道分时送数、同时转换、同时输出模拟量。,说明：如果DAC芯片内集成了两级输入缓存器，就不必 外加图中两级寄存器。,适用范围：适于用在对描述系统性能的各项参数需要 同时更新的实时控制场合。,(3)模拟分配型多路模出通道,结构之一：,特点：各路共用一个DAC，各用一个保持器。,各路输出数据所对应的数字量由MPU分时送到同一个DAC，转换成VO，然后由AMUX分配到相应通道的保持器去存储下来。显然，这里分配的是各路转换后的模拟信号。,结构之二：,当通道数目较多时，结构二比结构一的造价要高得多。,两种模拟分配型结构均必须通过软件来定时刷新数据。方法是编制程序，使输入到DAC的数字量在一个输出周期内不断循环更新。,