1、1終端、總線與接口 終端 （外部輸入輸出） 總線（內部或者外部模塊之間聯系橋梁） 接口（標準定義的）第1頁/共63頁2輸入輸出設備顯示器打印機繪圖儀鍵盤鼠標掃描儀等1. 輸入設備2. 輸出設備輸入：1）直接二進制碼輸入，2）鍵盤輸入3）掃描輸入，4）模擬輸入等。輸出：1）視頻輸出2）打印輸出3）其他形式輸出第2頁/共63頁3總線（BUS）定義：是指計算機系統中能夠為多個部件共享的一組公共信息傳輸線路。按功能和傳輸信息的種類可以分為： a.數據總線 b.地址總線 c.控制總線性能表征： a.總線寬度 b.總線頻率第3頁/共63頁4總線與接口 微型計算機硬件系統由微處理器、存儲器、各種輸入/輸出接

2、口電路以及系統總線組成。 微 處 理 器 CPU 主存儲器外存接口輸入輸出接口其他I/O口各種外設鍵盤、顯示器等軟、硬盤驅動器ABDBCB微型機的系統結構圖如下：第4頁/共63頁5Analog Digital Converter and Digital Analog Converter轉換器轉換器。6.2 模數與數模轉換器第5頁/共63頁6A/D 轉換器 D/A 轉換器 模擬 控制器 工業生產過程控制對象 模 擬 傳感器 ADC和DAC已成為計算機系統中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流量、應力等物理量轉換為模擬電量。計算機進行數字處理（如計算、濾波）、保存等用模擬量作為控制信號數字控制 計

3、算機A/D，D/A概述第6頁/共63頁7D/A例子第7頁/共63頁8D/A轉換器1 D/A轉換的基本原理2 倒T形電阻網絡D/A轉換器4 D/A轉換器的輸出方式3 權電流D/A轉換器5 D/A轉換器的技術指標6 D/A轉換器的應用第8頁/共63頁9將數字量轉換為與之成正比模擬量 。n位數字量1. 概述DACD/A轉換器模擬量1、數 / 模轉換器:O = K NB 第9頁/共63頁10 數字量是用代碼按數位組合而成的， 對于有權碼，每位代碼都有一定的權值，如能將每一位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量， 然后，將這些模擬量相加，即可得到與數字量成正比的模擬量， 從而實現數字量-模擬量的轉換。 實

4、現D/A轉換的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120將二進制數ND(11001)B轉換為十進制數。D/A轉換的基本原理第10頁/共63頁11 D/A轉換器的組成: 數數碼碼 寄寄存存器器 n n位位模模擬擬開開關關 解解碼碼 網網絡絡 求求和和 電電路路 基基準準電電壓壓 n n位位數數字字量量輸輸入入 模模擬擬量量 輸輸出出 DAC的數字數據可以并行輸入也可串行輸入用存放在數字寄存器中的數字量的各位數碼由輸入數字量控制產生權電流將權電流相加產生與輸入成正比的模擬電壓第11頁/共63頁12 i Rf=R vO S0 VREF + S1 S2 S3

5、 + 基基準準電電壓壓 電電子子開開關關 R R /2 R /4 R /8 求求和和電電路路 (LSB) D2 D3 (MSBD0 D1 鎖鎖存存器器 數數字字量量輸輸入入 電電阻阻網網絡絡 i0 i1 I2 i2 i3 A 模模擬擬量量輸輸出出 實現D/A轉換的原理電路)iiii (R0123O fvRDVi33REF8 RDVi224REF R RD D2V2V1REF 1iRDVi0REF0 iiiODV)DDDD(V222223000112233 REFREFv，, 第12頁/共63頁13 D/A轉換器的分類:按解碼網絡結構分類 T型電阻網絡DAC倒T形電阻網絡DAC權電流DAC 權電

6、阻網絡DAC 按模擬電子開關電路分類 CMOS開關型DAC雙極型開關型DAC 電流開關型DAC ECL電流開關型DAC D/A 轉換器第13頁/共63頁14倒T形電阻網絡D/A轉換器 vO Rf +VREF 2R D0 D1 D2 D3 S0 S1 S2 S3 i 2R 2R 2R (LSB) (MSB) 8I 16I 4I 2I I 2R + R R R I/16 I/8 I/4 I/2 Di=0, Si則將電阻2R接地Di=1, Si接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路 電阻網絡模擬電子開關求和運算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進制數根據運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關Si處于

7、何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地” 或虛地。 1、4位倒T形電阻網絡D/A轉換器基準電壓 電阻網絡 模擬電子開關 求和運算放大器第14頁/共63頁15D/A轉換器的倒T形電阻網絡基準電源VREF提供的總電流為：I =？流過各開關支路的電流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？ 2R 2R 2R 2R 2R R R R VREF I A B C D A B C D RVIREF I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整數倍遞減。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1= VREF / 8R

8、 I0= VREF /16 R第15頁/共63頁16流入運放的總電流： i I0 + I1 + I2 + I3)2D2D2D2D(RV13223140 REF輸出模擬電壓： 10i)2D(RR2VniifnREFO 30i4)2D(2VRRRiiiREFffO (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R 8I 16I 4I 2I R R R I +VREF + 8I 16I 4I 2I 第16頁/共63頁174 位倒T形電阻網絡DAC的輸出模擬電壓： Ofi R 3ifREFi40(2 )2iRVDR n 位倒T形電阻網絡

9、DAC有： n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR REFfn,2VRKR令：n 1iBi0(2 )iND則O = K NB 在電路中輸入的每一個二進制數NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。 第17頁/共63頁18AD7533D/A轉換器 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VREF AD7520 RF 10K 10K 20K 使用:1)要外接運放， 2)運放的反饋電阻可使用內部電阻 ， 也可采用外接電阻）2.集成D/A轉換器10位CMOS電流開關型D/A轉換器 9iREFfOi100(

10、2 )2iVRDR 第18頁/共63頁19關于D/A轉換器精度的討論(1)基準電壓穩定性好；(2) 倒T形電阻網絡中R和2R電阻比值的精度要高；(3)為實現電流從高位到低位按2的整數倍遞減，模擬開關的導通電阻也相應地按2的整數倍遞增。為進一步提高D/A轉換器的精度，可采用權電流型D/A轉換器。 n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR 為提高D/A轉換器的精度，對電路參數的要求： (3) 每個模擬開關的開關電壓降要相等第19頁/共63頁20Di =1時，開關Si接運放的反相端; Di= 0時，開關Si接地。 權電流D/A轉換器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1

11、S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 1. 4位權電流D/A轉換器第20頁/共63頁21在恒流源電路中，各支路權電流的大小均不受開關導通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開關電路的要求，提高了轉換精度。)D16ID8ID4ID2I(RRi0123 ffO )2D2D2D2D(R2I001122334 f 30ii42DR2Iif (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 第21頁/共63頁22D/A轉換器的輸出方式 256255REFV 256129REFV 256128REFV 2561

12、27REFV 2561REFV 2560REFV8位D/A轉換器在單極性輸出時的輸入/輸出關系000000001000000011111110000000011000000111111111模擬量 數字量MSB LSB第22頁/共63頁23常用雙極性編碼十十進進制制數數2的補碼的補碼偏移二進制碼偏移二進制碼模模擬擬量量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0 0/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126 100000001100000011000000000100000000-11111111101111111-1

13、 -1271000000100000001-127-1281000000000000000-128 *表中VLSB=VREF/256第23頁/共63頁24 25622221BREFREFREF8REFBREF1ONVVVVNV )( D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 2R1 O VREF 1 R=Rf R1 R1 + + A1 A2 NB 8 位倒位倒 T 形電阻形電阻 網絡網絡 D/A 轉換器轉換器 i 1 第24頁/共63頁25D/A轉換器的主要技術指標分辨率：其定義為D/A轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數。n位DAC最多有2n個模擬輸出電壓。位數越多D/A轉換器的分辨率

14、越高。 分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。n位D/A轉換器的分辨率可表示為121n1、分辨率第25頁/共63頁262、轉換精度：v轉換精度是指對給定的數字量，D/A轉換器實際值與理論值之間的最大偏差。v產生原因：由于D/A轉換器中各元件參數值存在誤差，如基準電壓不夠穩定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。v幾種轉換誤差：有如比例系數誤差、失調誤差和非線性誤差等第26頁/共63頁27集成D/A轉換器的應用(1) 數字式可編程增益控制電路 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I 2R 2R 2R - + RF IOUT1

15、IOUT 2 VREF 第27頁/共63頁28 D2 D7 OD0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF O - + R IOUT2I IOUT1 倒T形電阻網絡RDDDvRvOI109911002/ )2.22(/OVIA)2.22/(299110010DDDIout1 I0 + I1 + I2 + I9RDDDVREF109911002/ )2.22(1OUTIIR/v 根據虛斷有:REFOV 第28頁/共63頁29(2) 脈沖波產生電路 vO Q0 Q1 Q2 Q3 CP D0 D1 D2 D

16、3 10V & CR CEP CET PE 1 74LS163 + A Rf IOUT1 IOUT2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 VREF AD7520 19.5 39.1 58.5 78 97.5 117 136.5 156 175.5 vO /mV D 140 100 60 20 0000 t CP 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000 74163具同步清零功能74163和與非門構成十進制計數器：00001001第29頁/共63頁306 集成A/D轉換器及其應用A/D 轉換器1 A/D轉換

17、的一般工作過程2 并行比較型A/D轉換器3 逐次比較型A/D轉換器4 雙積分式A/D轉換器5 A/D轉換器的主要技術指標第30頁/共63頁31概述ADCDnD0輸出數字量I 輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉換成對應的數字量。1. A/D功能:A/D 轉換器第31頁/共63頁322. A/D轉換器分類 并聯比較型 特點: 轉換速度快,轉換時間 10ns 1s, 但電路復雜。 逐次逼近型 特點: 轉換速度適中,轉換時間 為幾s 100 s, 轉換精度高，在轉換速度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡。 雙積分型 特點: 轉換速度慢,轉換時間 幾百s 幾ms,但抗干擾能力最強。第32頁/共63頁33

18、取樣時間上離散的信號保持、量化量值上也離散的信號編碼模擬信號時間上和量值上都連續數字信號時間上和量值上都離散A/D轉換的一般工作過程 A/D轉換器一般要包括取樣， 保持，量化及編碼4個過程。第33頁/共63頁341. 取樣與保持 采樣是將隨時間連續變化的模擬量轉換為在時間離散的模擬量。 采樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經低通濾波器后愈能真實地復現輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。 采樣定理：設采樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則 fs 2fimaxS(t)=1:開關閉合S(t)=0:開關斷開 O(t) I(t) TG S(t) 0

19、0 0 O (t) S(t) I (t) t t t TS 第34頁/共63頁35 I t O t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 (b) 波形圖 采得模擬信號轉換為數字信號都需要一定時間，為了給后續的量化編碼過程提供一個穩定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理 I A1 A2 S CH 開關驅開關驅 動電路動電路 采樣采樣保持保持 控制電路控制電路 O 保持第35頁/共63頁362. 量化與編碼數字信號在數值上是離散的。采樣保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上，任何數字量只能是某個最小數量單位的整數倍。

20、量化后的數值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數字量。 2.量化3.編碼第36頁/共63頁37在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉換器的位數越 多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。 兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。 4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式第37頁/共63頁38LSB1max V8701V86V85V84V83V82V811111101011000110100010000=0 v

21、7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v輸入信號編碼量化后電壓a ) 只舍不入量化方式:量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位1/8V=1LSB= 1/8 V例：將01V電壓轉換為3位二進制代碼第38頁/共63頁39b )四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/1

22、5 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v輸入信號編碼模擬電平V1513V1511V159V157V155V153V1512LSBmax =1LSB= 2/15 V2LSBmax 1/15V例：將01V電壓轉換為3位二進制代碼第39頁/共63頁40并行比較型A/D轉換器 R I VREF VREF 13 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 15 VREF 1 15 R R R/2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 1D C1 Q I1 1D C1 Q

23、 I2 1D C1 Q I3 1D C1 Q I4 1D C1 Q I5 1D C1 Q I6 1D C1 Q I7 D0 D1 D2 優先編碼器優先編碼器 (LSB(MSB)0 電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網絡精密參考電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數字量1、電路組成第40頁/共63頁41 R I VR E F R C P R R R R R R /2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C0 1 C0 2 C0 3 C0 4 C0 5 C0 6 C0 7 1 D C

24、 1 Q I1 1 D C 1 Q I2 1 D C 1 Q I3 1D C 1 Q I4 1D C 1 Q I5 1D C 1 Q I6 1D C 1 Q I7 D0 D1 D2 優優先先編編碼碼器器 (L S B )D0 (M S B)0 VI=8VREF/151111000001第41頁/共63頁42 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0

25、 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 13VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根據各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態的關系。比較器的輸出狀態由D觸發器存儲，經優先編碼器編碼，得到數字量輸出。 第42頁/共63頁433、

26、電路特點：在并行A/D轉換器中，輸入電壓I同時加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數字量是與I輸入時刻同時獲得的。所以它的轉換時間最短。 缺點是電路復雜，如三位ADC需7個比較器、7個觸發器、8個電阻。位數越多，電路越復雜。為了解決提高分辨率和增加元件數的矛盾，可以采取分級并行轉換的方法。 單片集成并行比較型A/D轉換器的產品很多，如AD公司的AD9012 (TTL工藝8位)、AD9002 (ECL工藝，8位)、AD9020 (TTL工藝，10位)等。 第43頁/共63頁44所加砝碼重量 結果 逐次比較型A/D轉換器逐次逼近轉換過程與用天平稱物重非常相似 。第一次8 克砝碼

27、總重 待測重量Wx ，8克砝碼保留8 克第二次再加4克砝碼總重仍 待測重量Wx ， 2克砝碼撤除12 克第四次再加1克砝碼總重 待測重量Wx ， 1克砝碼保留13 克1. 轉換原理 所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設待秤重量Wx = 13克。第44頁/共63頁451. 轉換原理 I 啟動脈沖啟動脈沖 CP 時鐘時鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數據寄存器數據寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數字數字 量輸出量輸出 D/A 轉換器轉換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1 0 0 0 1 0 0 0 5VI 5V 1A=6.84VVR

28、EF=10V第一個CP：第45頁/共63頁461. 轉換原理 第二個CP： I 啟動脈沖啟動脈沖 CP 時鐘時鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數據寄存器數據寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數字數字 量輸出量輸出 D/A 轉換器轉換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 1 0 0 1 1 0 0 7.5V10I 7.5V I=6.84VVREF=10V第46頁/共63頁471. 轉換原理 第三個CP： I 啟動脈沖啟動脈沖 CP 時鐘時鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數據寄存器數據寄存器 模擬

29、模擬 量輸入量輸入 數字數字 量輸出量輸出 D/A 轉換器轉換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 0 1 0 1 0 1 0 6.25VI 6.25V 101A=6.84VVREF=10V第47頁/共63頁48 7.50000 6.2500 6.8750 6.5625 6.71875 6.796875 6.835937 0.00 5.0000 10 s CP 啟啟 動動 脈脈 沖沖 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 O V 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 轉轉 換換 時時 間間 = 80 s t / s 10000000A=6.84VVREF=10V10

30、10111111000000101000001011000010101000101011001010111010101111第48頁/共63頁49小結：1、 逐次比較型A/D轉換器輸出數字量的位數越多轉換精度越高；2、逐次比較型A/D轉換器完成一次轉換所需時間與其位數n和時鐘脈沖頻率有關，位數愈少，時鐘頻率越高，轉換所需時間越短； 第49頁/共63頁50雙積分式A/D轉換器1、雙積分式A/D轉換器的基本指導思想 對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數器測出此時間間隔，進而得到相應的數字量輸出。雙積分式A/D轉換器也稱為電壓時

31、間數字式積分器 。第50頁/共63頁51 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & 數字量輸數字量輸C A B G G n 級計數器級計數器 定定時時信信號號 (MSB) (LSB) Tc 1、電路組成第51頁/共63頁52 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J

32、 C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & 數字量輸數字量輸C A B G G n 級計數器級計數器 定定時時信信號號 (MSB) (LSB) Tc 00000Cr信號將計數器清零；開關S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開S2 使電容的初始電壓為0。2、工作原理準備階段：第52頁/共63頁53 tdt0IO1 經過2n個CP11TVI (2) 第一次積分：t = t0時，開關S1與A端相接，積分器開始對I積分。經2n個CP后,開關切換到B，=VP。第一積分時間為2nTC + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1

33、 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-D1 D0 & C A B G G n 級計數器級計數器 定定時時信信號號 第53頁/共63頁54VREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進行第二次積分；當t=t2時積分器輸出電壓O0，比較器輸出C=0，時鐘脈沖控制門G被關閉，計數停止。(3) 第二次積分： + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-D1 D0 & C A B G G n 級計數器級計數器 定定時時信信號號 第54頁/共63頁55 S1 Qn