【文章內(nèi)容簡介】 框圖 D0~D7 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 55 ? 優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間固定 ? 缺點(diǎn)：抗干擾能力差 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 56 例 :四位 A/D轉(zhuǎn)換器 ,滿刻度值 5V,現(xiàn)若輸入 ,試分析其逐次逼近的轉(zhuǎn)換過程 . 解 :量化單位 q=5/24= 1000: *23=,保留最高位 1 以此類推 ,最后為 1011 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 57 321 ΣΔ型 A/D轉(zhuǎn)換器（ 1） ? ΣΔ型 A/D利用取樣頻率為 Fs（ fs）的一系列粗糙量化數(shù)據(jù)，由后續(xù)的數(shù)字抽取器計(jì)算出模擬信號(hào)所對(duì)應(yīng)的低取樣頻率 fs的高分辯率數(shù)字信號(hào)。其實(shí)現(xiàn)主要基于過程取樣、 ΣΔ調(diào)制和數(shù)字濾波。 抗混疊 模擬濾波器 Σ Δ 調(diào)制器 數(shù)字 濾波器 低位數(shù)據(jù)流 （ 1bit） 輸入 數(shù)字 fs Fs 模擬信號(hào) Fs 高位數(shù)據(jù)流 （ 16bit） 模擬 Σ Δ 型 A/D轉(zhuǎn)換器的組成框圖 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 58 321 ΣΔ型 A/D轉(zhuǎn)換器（ 2） ? ΣΔ型 A/D轉(zhuǎn)換芯片 AD7715 – 價(jià)格便宜、分辨率高，不受噪聲環(huán)境的影響 – 提供了一個(gè)增益為 3 128倍可編程放大器，一個(gè)數(shù)字濾波器和一套自校準(zhǔn)電路 – 所提供的系統(tǒng)功能要比常用的積分型 A/D轉(zhuǎn)換器強(qiáng)，而且避免了必須提供一個(gè)高質(zhì)量積分電容的缺點(diǎn) – 是工業(yè)和過程控制應(yīng)用中的理想器件 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 59 （ 1） 分辨率 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)來表示，如 8位、 10位、 12位等。分辨率為 n，表示它可以對(duì)滿刻度的 1/ 2n的變化量作出反應(yīng)。即： 分辨率 = 滿刻度值 /2n 量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的，提高分辨率，可減少量化誤差。 二、 A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo) — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 60 2. 轉(zhuǎn)換精度 ? A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指 A/D的實(shí)際輸出接近于理想輸出精確程度。 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度可以用絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差來表示。 所謂 絕對(duì)誤差 ，是指對(duì)應(yīng)于一個(gè)給定數(shù)字量A/D轉(zhuǎn)換器的誤差，其誤差的大小由實(shí)際模擬量輸入值和理論值之差來度量。絕對(duì)誤差包括增益誤差，零點(diǎn)誤差和非線性誤差等。 相對(duì)誤差 是指絕對(duì)誤差與滿刻度值之比，一般用百分?jǐn)?shù)來表示，對(duì) A/D轉(zhuǎn)換器常用最低有效值的位數(shù) LSB（ Least Significant Bit)）來表示， 1LSB = 1／ 2n 。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 61 一般來說 ， 位數(shù) n越大 ， 其相對(duì)誤差 （ 或絕對(duì)誤差 ） 越小 。 3. 轉(zhuǎn)換時(shí)間 A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間 。 如逐位逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為微秒級(jí) ， 雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級(jí) 。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 62 ? 例：一個(gè) 12位 A/D，輸入電壓范圍 5V （ 1）分辨率？ （ 2）能夠辨別的最小電壓？ 解： 1） 2） 5 *102=*102 212 10*1 ??— 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 63 量化誤差：由于用有限二進(jìn)制數(shù)字對(duì)模擬數(shù)值進(jìn)行離散取值 （ 量化 ） 而引起的誤差 ， 用如下表示： )()(S nTfnTfe ??— 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 64 t)(S nTfoq q23 q45 q6T T3T2 T4 T5t)( nTfoq q23 q45 q6T T3T2 T4 T5— 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 65 三、數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換的應(yīng)用問題 孔徑誤差 ftVV m ?2sin?ftVdtdV m ?? 2c o s2??fVdtdV m ?2)( m a x ?Amm ftVV ?2?? %1002 ?? AV ft??— 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 66 例 :一個(gè)十位的 A/D轉(zhuǎn)換器誤差百分?jǐn)?shù) %, 則允許轉(zhuǎn)換的正弦波模擬信號(hào)的最大頻率為多少 ?(16HZ) st A ?10?%1002 ?? AV ft??— 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 67 五、常用 A/D轉(zhuǎn)換器 ? A/D轉(zhuǎn)換器與 CPU的接口方式由它們之間數(shù)據(jù)傳輸方式?jīng)Q定 – 并行接口和串行接口 ? 接口類型一般有三種 ， 由 A/D轉(zhuǎn)換器與 CPU之間的聯(lián)系方式?jīng)Q定 – 查詢法 – 定時(shí)法 – 中斷法 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 68 逐位逼近式 A/D芯片介紹 ? 逐位逼近式 A/D芯片品種很多，可滿足各種需要 ? 8位 A/D轉(zhuǎn)換器芯片 ? 12位 A/D轉(zhuǎn)換器芯片 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 69 典型的 A/D轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 70 1） 8路 8位 A／ D轉(zhuǎn)換器，即分辨率 8位 2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕? 3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μs 4）單個(gè)＋ 5V電源供電 5）模擬輸入電壓范圍 0～＋ 5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 6）工作溫度范圍為 40～＋ 85攝氏度 7）低功耗，約 15mW。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 71 ADC0809的工作過程是：首先輸入 3位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通 8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A／ D轉(zhuǎn)換，之后 EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到 A／ D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指?A／ D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng) OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 ?1. ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 72 ?2. 引腳結(jié)構(gòu) ?ADC0809采用雙列直插式封裝 ， 共有 28條引腳 。其引腳結(jié)構(gòu)如圖所示 。 IN 5D 7D 6D 0D 1 D 2D 3D 4D 5V ref(+)OEGNDV ccA D D CA D C 0 8 0 91109876543220141516171819131211IN 3IN 4IN 7IN 6S T A R TEOCC L O C KV ref()A L EA D D AA D D BIN 0IN 1IN 22827262524232221圖 ADC0809引腳圖 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 73 ? 引腳結(jié)構(gòu) ? （ 1） IN7~IN0： 8條模擬量輸入通道 ? （ 2）地址輸入和控制線： 4條 ? （ 3）數(shù)字量輸出及控制線： 11條 ? （ 4）電源線及其他： 5條 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 74 各引腳功能如下： ? IN0～ IN7： 8路模擬量輸入端。允許 8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器。 ? ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。上升沿時(shí)鎖存 3位通道選擇信號(hào)。 ? A、 B、 C： 3位地址線即模擬量通道選擇線。 ALE為高電平時(shí)，地址譯碼與對(duì)應(yīng)通道選擇見表格 。 ? START：啟動(dòng) A/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)部清零，下降沿時(shí)啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換。 ? EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，高電平有效。 ? OE：輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。該信號(hào)用來打開三態(tài)輸出緩沖器，將 A/D轉(zhuǎn)換得到的 8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。 ? D0～ D7： 8位數(shù)字量輸出。 D0為最低位， D7為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機(jī)數(shù)據(jù)總線直接相連。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 75 ?CLOCK：外部時(shí)鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為640kHz時(shí)， A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100?s。 ?VR+， 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 VR+ = ?5V DC， VR = 0V DC。 ?Vcc：工作電源， ?5VDC。 ?GND：電源地。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 76 表 被選通道和地址的關(guān)系 C B A 選中通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 77 ADC0809的內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)序 ALEC .B .AST A R TE O COED O 7 ~ D O 0圖 2 1 2 A D C 08 0 9 的 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 序圖 ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 78 3． AD574芯片介紹 ? AD574A是一種高性能的 12位逐位逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器 ? 分辨率為 1/212 = % ? 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 25μs, 適合于在高精度快速采樣系統(tǒng)中使用 ? 內(nèi)部結(jié)構(gòu)大體與 ADC0809類似，由 12位 A/D轉(zhuǎn)換器、控制邏輯、三態(tài)輸出鎖存緩沖器與 10V基準(zhǔn)電壓源構(gòu)成，可以直接與主機(jī)數(shù)據(jù)總線連接，但只能 輸入一路模擬量 ? AD574A也采用 28腳雙立直插式封裝 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 79 圖 317 AD574A原理框圖及引腳 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 80 各引腳功能如下： ? Vcc：工作電源正端， +12 VDC或 +15 VDC。 ? VEE：工作電源負(fù)端， ?12 VDC或 ?15 VDC。 ? VL：邏輯電源端， +5 VDC。雖然使用的工作電源為 ?12VDC或 ?15 VDC， 但數(shù)字量輸出及控制信號(hào)的邏輯 電平仍可直接與 TTL兼容。 ? DGND， AGND：數(shù)字地，模擬地。 ? REF OUT：基準(zhǔn)電壓源輸出端，芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源為 + V?1％。 ? REF IN：基準(zhǔn)電壓源輸入端，如果 REF OUT