第十章模拟IO接口

一对差动电流IO1和IO2输出。
(1)内部结构与外部引脚：
（M DDIIS76 B）111435 146 5 6
（DLIS0B）179 ILE 1 CSW WRR1112278 XFER
DQ 8位输入 寄存器
D LE1 Q
＆
1
＆
2
＆
3
DQ
8位 D寄A存C 器
D LE2 Q
8位 D转/换A器
Rfb 15kΩ
VR • Rf 3R • 24
3
2i Di
i0
8
9
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
29
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：
① 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。
② 两次写数的顺序只能是：先写高8位,后 写低4位。 为什么？ ——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。
片内无输入缓存器的DAC 片内有单级输入缓存器的DAC 片内有双级输入缓存器的DAC
按位数
8位DAC，
按数字输
入方式
分辨率高于8位的DAC，
并行输入DAC， 串行输入DAC， 串/并输入DAC，
19
10.1.3 典型的DAC集成芯片
1. DAC0832
——8位R-2R T型电阻解码网络芯片，转换结果以
❖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。
12
10.1.1 D/A转换器原理
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。
VCC
2R
D
20
DA
9 11
IO1
B
8
0C832 3 1012
IO2
-∞ + A1
VO' R
-∞ + A2
VO
V
R
2R
24
10.1.3 典型的DAC集成芯片
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:
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
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
11
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∑)。
D7～D0 锁存器
D7 MP ┋ U D0
（1） D4
锁存器
ABCB D3～D0 （2）
端口 ① 译码
②
锁存器 （3）
选通
D7 ┋
D0
12位
DAC
V0
D8 ┋ D11
34
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)
分辨率通常用二进制位数表示，对于一个n位 DAC，其分辨能力为满量程V0或I0的1/2n 。
精度和分辨率的区别：
精度取决于构成转换器的各个部件的误差和稳 定性，而分辨率则取决于转换器的位数。
18
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：
按片内有无 缓存能力
iO0
VR 3R
•
1 24
•
D0
(经4次二等分到输出支路）
7
10.1.1 D/A转换器原理
所以
iO
VR 3R
1 ( 21
D3
1 22
D2
1 23
D1
1 24
D0 )
VR 3R 24
(23 D3
22
D2
21 D1
20
D0 )
VR 3R 24
3
2i Di
i0
进一步得到输出电压V0:
vO
Rf iO
i
vO iO • Rf
VR • Rf R 24
VR • Rf R 24
3
2i Di
i0
13
10.1.1 D/A转换器原理
推广到n位转换器，则有：
iO
VR R 2n
n1
2i Di
i0
VO
VR • Rf R 2n
n1
2i Di
i0
当Rf=R时
VR 2n
n1
2i Di
i0
同样可见:
输出电流i0与D3～D0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：
iO3
VR 3R
•
1 21
•
D3
(经1次二等分到输出支路）
iO2
VR 3R
•
1 22
• D2
(经2次二等分到输出支路）
iO1
VR 3R
•
1 23
•
D1
(经3次二等分到输出支路）
----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 精度±1为/n2位×1指/2最n×大V误FS差=±为1±/12/n+21nVVFFSS。。
(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
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
2
模拟I/O接口在计算机测控系统中的应用示例：
3
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
1.T型电阻解码网络DAC
vo
(2
N 256 VR
VR )
N 128
VR
VR
N 128 128
VR
N>80H时 VO>0 双极性 N<80H时 VO<0
N=80H时 VO=0(调零) N=00H时 VO=-VR(调负满刻度) N=FFH时 VO=112278 VR(调正满刻度)
通过调节VR和 电阻值实现
25
10.1.3 典型的DAC集成芯片
用场合。
21
② 可工作于单缓冲方式 这时应使一级缓存器使直通。通常使第二级
DAC寄存器直通,即把WR2和XFER固定接地。 单缓冲方式下，数据只要一写入DAC芯片就立
即进行数/模转换,省去一条输出指令。
22
10.1.3 典型的DAC集成芯片
③ DAC0832直接输出的信号是模拟电流IO1、IO2, 为得到电压输出，应加接一级运放：
8 12
VR
11
I02 I01
9 Rfb
3 AGND 20
VCC 10 DGN
D
20
10.1.3 典型的DAC集成芯片 (2)应用说明
① 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
（以8位DAC与8位MPU的接口为例）
D7 ┋ MP D0 U
8位 寄存器
8位
V0
DAC
ABCB
LE
端口译码
这种接口只使用一个m位输入寄存器(锁存器)即可。
32
10.1.4 DAC芯片与MPU接口技术
(2)m>n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):
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。
VCC
VB(=-VR)
D B
20 8
DA 0C832
3
9 11IO1 1012IO2
RB
∑+
∞ A1
V
R
VO
26
27
10.1.3 典型的DAC集成芯片
⑤ 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。 如何实现？请思考。
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。
28
10.1.3 典型的DAC集成芯片
2.DAC1210
(1) 内部结构与外部引脚： 基B本DDDDX1W/CW FIIIIB1430结ESR12RR12315171819201622221构47689125 与＆＆＆DD8寄位A存L输CE器入0Q8D4寄3位L2存E输相器入Q似,差D寄别1DL2存A在E位C器于Q 它M是LS转S11BDAB2换2/位器位,第一Rfb级1014131124123寄VIIRVAD00CfRG21G存bCNNDD 器分成8位、4位两个,以适应同8位和16位/32位CPU的连接。
30
10.1.4 DAC芯片与MPU接口技术
基本接口形式有两种： D7
1.与MPU总线直接相连 D
----适于内部有输入 缓存器且D/A转换器
MPU 0A9
位数小于等于MPU数
A0
地址 译码
据总线位数的DAC芯
IOW
片。
+5V
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。
倒T型电阻DAC的转换原理：
I3
I 2
I2
I 22
I1
I 23
I0
I 24
I VR R
i DI DI DI DI
O
33
22
11
00
11
1
1
I( D D D D )
2 3 22 2 23 1 24 0
VR R 24
(23 D3
22 D2
21 D1
20 D0 )
V
R
3
2i D
R 24 i0
(1)接口硬件逻辑:
DD76
D
0
IOW A0 AAE9N
DDII1110
VR
Rfb
1 1
地址译码
DAC I01
DDII10 121 I02
W WRR12 0
B1/B2 CS XFE
220H
&
R
221H
222H
+15V
50Ω 调满度
-
5G23
V0
+
10kΩ 调零
-15V
35
10.1.4 DAC芯片与MPU接口技术
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。
16
10.1.2 DAC的基本参数
2.速度参数 ----主要是建立时间或转换时间。 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。
17
3.分辨率 ----表示DAC对微小模拟信号的分辨能力，
是数字输入量的最低有效位(LSB)所对 应的模拟值。
❖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。
14
10.1.2 DAC的基本参数
精度参数 速度参数 分辨率
15
1. 精度参数
VCC
D B
20 DA 9 11 IO1
8
0C832 3
1012 IO2
+
∞ A
VO
VR
这时得到的电压V0是单极性,极性与VR相反：
vo
N 28
•
VR 3R
•
R fb
Rfb=3R=15KΩ
N 256
•
VR
VO在0V～ 2N56 •VR 之间变化。
23
Fra Baidu bibliotek
10.1.3 典型的DAC集成芯片
④ 如要输出双极性电压,应于输出端引入一个偏 移电路。 通常有两种引入方法：
（数字地）
DI7
DI0 CS DAC
0832 WR1 ILE XFER WRD2 GND
31
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
(1片)内。部无输入缓存器的m位DAC与n位MPU(m≤n)的接口
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 2❖R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。
6
10.1.1 D/A转换器原理
T型电阻DAC的转换原理：
① 每级用两个锁存器
D7
MPU┋
D3～D0锁存器 （1）
AC BB
D
0
锁存器
D7～D0 （2）
①
端口 ② 译码
③
锁存器 （3）
锁存器 （4）
或D0～D3
D11
┋
D 12位
8
DAC
V0
D ┋7D 0或D4～D11
33
10.1.4 DAC芯片与MPU接口技术
② 低8位经两级缓存,高4位经一级缓存(反之也可)