1、言宜慢，心宜善1.0什么是接口。 隨著數(shù)字集成技術(shù)的發(fā)展，除了簡(jiǎn)單的電路集成之外，以微處理器為核心的計(jì)算機(jī)集成技術(shù)迅速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制（外部計(jì)算機(jī)和其他機(jī)電設(shè)備）、通信及檢測(cè)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用極為廣泛。外部設(shè)備的信息，包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，可以和計(jì)算機(jī)微處理器中的寄存器直接交換并在運(yùn)算器中進(jìn)行運(yùn)算處理（整個(gè)過(guò)程在程序指令控制之下）。由于微處理器外部數(shù)據(jù)運(yùn)行速度和微處理器運(yùn)行速度并不相同，因此需要設(shè)計(jì)一種電路，用來(lái)在計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，這種電路就叫接口。壓力、溫度、位移、液位等都是抽象數(shù)據(jù)，一般需要通過(guò)一種叫傳感器的電路測(cè)量元件將信息轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再經(jīng)能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)

2、的電路或接口，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息送到計(jì)算機(jī)，這種電路叫模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器）；反之，能將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）。本章主要講解接口的設(shè)計(jì)思想、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的組成與工作原理。1.1接口芯片設(shè)計(jì)分析 1采用寄存器緩沖數(shù)據(jù) 計(jì)算機(jī)時(shí)序周期要比外部設(shè)備快的多，而計(jì)算機(jī)是根據(jù)程序運(yùn)行的，在外部設(shè)備沒有準(zhǔn)備好時(shí)，計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行內(nèi)部操作。外部設(shè)備準(zhǔn)備好了，把數(shù)據(jù)送給接口寄存器，同時(shí)向計(jì)算機(jī)發(fā)出請(qǐng)求，此時(shí)一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在接口寄存器中，在這里我們一般使用寄存器的觸發(fā)器組來(lái)緩沖數(shù)據(jù)。只有計(jì)算機(jī)響應(yīng)后，數(shù)據(jù)才讀入計(jì)算機(jī)CPU中的寄存器。接口中存放數(shù)據(jù)的寄存器稱為接口寄存器

3、。2外部設(shè)備多樣化外部設(shè)備有機(jī)械式、機(jī)電式、電子式，外設(shè)還具有不同的狀態(tài)，因此外設(shè)主要向接口提供數(shù)據(jù)和狀態(tài)（邏輯條件，比如打印機(jī)在線與否，是否缺紙等）兩類輸入邏輯變量或引腳。考慮外設(shè)多樣性的特點(diǎn)，盡可能找出具有相同特點(diǎn)設(shè)備的所有狀態(tài)，設(shè)計(jì)到同一接口芯片中，這便是通用接口。狀態(tài)信息也是由寄存器來(lái)存儲(chǔ)的，這類寄存器稱為狀態(tài)寄存器。3根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的不同設(shè)計(jì)不同的接口數(shù)據(jù)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)一般情況下是并行1.1接口芯片設(shè)計(jì)分析輸入輸出的，這種設(shè)計(jì)的接口稱為并行接口。而模擬信號(hào)要依靠電路一位位轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用移位寄存器再轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，這類接口稱為串行接口。4接口的存儲(chǔ)性能可以看到，接

4、口的主要功能是數(shù)據(jù)鎖存和緩沖、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，它主要起了一個(gè)暫時(shí)存放數(shù)據(jù)的作用，把所有接口寄存器一起從0開始編號(hào)，稱為獨(dú)立編址，設(shè)接口中共有16個(gè)寄存器，則從0000B1111B獨(dú)立編址；把接口寄存器和存儲(chǔ)器一起編址稱為全編址。5控制邏輯的分析 通過(guò)前面的設(shè)計(jì)知道，任何電路設(shè)計(jì)除了輸入和輸出數(shù)據(jù)變量外，還需要控制條件，比如選片 ，寄存器讀控制信號(hào) ，寫控制信號(hào) 等，這類信號(hào)來(lái)自計(jì)算機(jī)CPU。有時(shí)，外部設(shè)備工作方式很多，觸發(fā)方式也不盡相同，有時(shí)數(shù)據(jù)傳送信息格式也不相同，需要很多信息來(lái)表示它們的方式，用控制信號(hào)顯然不太現(xiàn)實(shí)，因此在接口中安排一個(gè)寄存器用其中不同位表示所有方式控制，這類寄存器稱為控制寄存器

5、。1.2接口芯片設(shè)計(jì)1. 接口芯片設(shè)計(jì)步驟通過(guò)上面的接口設(shè)計(jì)分析，可以得到接口電路的如下設(shè)計(jì)步驟：（1）分析所有數(shù)據(jù)及寄存器的選擇輸入輸出數(shù)據(jù)信息的分析。外部設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸可以是雙向的，我們既可以選擇同一寄存器實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳遞，也可以選擇兩個(gè)寄存器分別用于兩個(gè)方向的傳遞。也可用兩個(gè)寄存器一起進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，寄存器的數(shù)目由選擇傳遞方式不同而不同。分析外部設(shè)備的狀態(tài)，并把所有狀態(tài)安排到狀態(tài)寄存器的某一位。分析控制信號(hào)，指定設(shè)計(jì)變量。如果有工作方式的選擇，則要選擇一個(gè)命令寄存器，以編碼方式在其中某一位或幾位指定出不同的工作方式。如果有4種工作方式，則需要其中兩位來(lái)指定，用哪兩位，需要設(shè)計(jì)者自

6、己確定。寄存器地址確定。采用獨(dú)立編制，地址要根據(jù)接口電路中已有的地址向后排列。例如，接口中現(xiàn)在地址安排到7FH，輸入數(shù)據(jù)寄存器安排為80H，輸出寄存器地址安排為81H，狀態(tài)寄存器為82H，命令寄存器為83H，則地址線共有8條，高六位不變，可以用來(lái)選片，低兩位則選擇寄存器。1.2接口芯片設(shè)計(jì)（2）根據(jù)寄存器選擇和控制信號(hào)分析，列出真值表，設(shè)出電路接口電路設(shè)計(jì)是很復(fù)雜的，可以根據(jù)不同的控制條件列出幾個(gè)真值表，設(shè)計(jì)出電路合為一個(gè)電路即可。 2簡(jiǎn)單串行輸入接口電路設(shè)計(jì) 該電路外設(shè)并行輸入一個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)，直接送入電路中選擇的8位數(shù)據(jù)寄存器，上升沿觸發(fā)，要送到計(jì)算機(jī)中去，必須在選片信號(hào) 、讀信號(hào) 有效的

7、前提下送出。真值表如下表所示，其中，Q7Q0為寄存器8個(gè)觸發(fā)器輸出，對(duì)應(yīng)芯片連接外設(shè)的8個(gè)引腳，D7D0為芯片輸出，連接到計(jì)算機(jī)外部總線。只有一個(gè)寄存器，安排一條地址線A0=0，選中該寄存器。CSRDA0DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0D7D6D5D4D3D2D1D0CP100000000001000000000001000000000000DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q01.2接口芯片設(shè)計(jì)根據(jù)真值表，列出控制電路所需方程。畫出電路圖：Qi的取值來(lái)自8位寄存器，因此首先要選擇一個(gè)8位同步基本寄存器74HC374，具有8個(gè)D觸發(fā)器，

8、用DI7DI0表示8個(gè)外設(shè)連接的D輸入端，使能信號(hào)OEN= 2.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的過(guò)程稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換（Digital to Analog），實(shí)現(xiàn)的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)寫成DAC（DigitalAnalog Converter）。目前常用的D/A轉(zhuǎn)換器有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電容型D/A轉(zhuǎn)換器以及開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器等幾種類型。這里只權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器及DAC0808的應(yīng)用設(shè)計(jì)。1基本原理分析： 將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量

9、成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。 D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程首先要有寄存器提供并行的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，寄存器輸出的每位數(shù)碼驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)數(shù)位上的電子開關(guān)，將電阻解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位權(quán)值送入求和電路中，求和電路將各位權(quán)值相加就得到與數(shù)字量相應(yīng)的模擬量。因此電路由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關(guān)電路、解碼電路、求和電路及基準(zhǔn)電壓等部分組成，如圖所示。2.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理 設(shè)n位二進(jìn)制數(shù)為dn-1 dn-2d1 d0，輸出模擬量為vO，則根據(jù)上述原理，輸出量和輸入量之間的關(guān)系式為：其中，k為比例系數(shù)。 2D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)1）分辨率分辨率用輸入二進(jìn)制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出

10、電壓能區(qū)分2n個(gè)不同的輸入二進(jìn)制代碼狀態(tài)，能給出2n個(gè)不同等級(jí)的輸出模擬電壓。分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來(lái)表示。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：2.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理 2）轉(zhuǎn)換精度由于D/A轉(zhuǎn)換器的各個(gè)環(huán)節(jié)在參數(shù)及性能上和理論值存在著差異，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定、運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移、模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降、電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值的偏差以及三極管特性不一致等因素，都會(huì)使得實(shí)際精度與轉(zhuǎn)換誤差有關(guān)系。轉(zhuǎn)換誤差是表示由各種因素引起誤差的一個(gè)綜合性的指標(biāo)，它表示實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換器特性和理論轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差。3）輸出建立時(shí)間輸出建立時(shí)間從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電

11、壓或電流到達(dá)穩(wěn)定值時(shí)所需要的時(shí)間，稱為輸出建立時(shí)間。是用來(lái)描述轉(zhuǎn)換速度的單位。4）轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率是指在大信號(hào)工作狀態(tài)下，模擬輸出電壓的最大變化率。通常以V/us為單位表示。5）溫度系數(shù)溫度系數(shù)是指輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1C，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)做為溫度系數(shù)。2.2權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器 14位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器在前面介紹的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，都沒有考慮開關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降，而是當(dāng)成理想開關(guān)處理，這無(wú)疑會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤差，影響轉(zhuǎn)換精度。解決這個(gè)問(wèn)題采用的一種方法是利用一組恒流源構(gòu)成“權(quán)”，其原理電路

12、如圖所示。 由于采用恒流源，每個(gè)支路電流的大小不再受開關(guān)內(nèi)阻和壓降的影響，故而降低了對(duì)開關(guān)電路的要求。其分支電流為：當(dāng)輸入的數(shù)字量為1時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)將恒流源接到運(yùn)算放大器的輸入端；當(dāng)輸入的數(shù)字量為0時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)將恒流源接地。根據(jù)上圖計(jì)算輸出電壓為：2.2權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器 2實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路如圖所示。圖中具有電流負(fù)反饋的三極管組成恒流源電路。此電路中利用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)，目的是為了減少電阻的種類。（1）各個(gè)管子的基極接到一起，若各管的VBE相同，則各發(fā)射極處于相同的電位，各支路電流的計(jì)算和倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)一樣，即流過(guò)每個(gè)電阻的電流依次減少1/2。為了保證發(fā)射

13、結(jié)壓降相等，發(fā)射極電流較大的管子增加了發(fā)射結(jié)的面積。（2）恒流源IBO用來(lái)給各管提供必須的偏置電流。（3）運(yùn)算放大器A1、三極管TR、電阻RR、R構(gòu)成基準(zhǔn)電流發(fā)生電路。其基準(zhǔn)電流為：實(shí)際電壓為：2.2權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器 3集成權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器 權(quán)電流型單片集成D/A轉(zhuǎn)換器有DAC0806、DAC0807、DAC0808等，它們都采用雙極型三極管，工作速度較高。DAC0808為8位D/A轉(zhuǎn)換器，其實(shí)際元件、典型芯片與應(yīng)用電路如圖所示。其中，D0D8為8位數(shù)字量輸入端，Io是求和電流輸出端。VREF、 VREF接基準(zhǔn)電流發(fā)生電路中運(yùn)算放大器的反相輸入端和同相輸入端。COP供外接補(bǔ)償電容的，V

14、CC和VEE為正負(fù)電源輸入端。3.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital），實(shí)現(xiàn)的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)寫為ADC（AnalogDigital Converter）。A/D轉(zhuǎn)換器的類型可分成直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器。在直接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬電壓信號(hào)直接被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；而在間接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬信號(hào)首先被轉(zhuǎn)換成某種中間變量（如時(shí)間、頻率等），然后再將這個(gè)中間量轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量。 A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。由于輸入的模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的，輸出的數(shù)字信號(hào)在時(shí)間和幅值都是離散的，因此

15、轉(zhuǎn)換時(shí)一般要經(jīng)過(guò)取樣、保持、量化和編碼四個(gè)過(guò)程。實(shí)際上有時(shí)取樣和保持、量化和編碼會(huì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)。 所以A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程是首先對(duì)輸入模擬電壓信號(hào)進(jìn)行取樣，然后保持并將取樣電壓量化為數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。3.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理1取樣與保持取樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散的模擬量。下圖為對(duì)某個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的波形。其中vs為取樣信號(hào)，vI 表示輸入的模擬信號(hào)。 為了使得取樣信號(hào)能逼近輸入的模擬信號(hào)，則取樣信號(hào)應(yīng)該有足夠高的頻率。為了保證取樣信號(hào)的精確性，其頻率關(guān)系必須滿足取樣定理。取樣定理為：若fs為取樣信號(hào)的頻率， fimax為輸入模擬信號(hào)的最高頻率分量的頻率，則它

16、們必須滿足 ，一般取 。 取樣電路每次取得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)都需要一定的時(shí)間，而且為了給后續(xù)的量化編碼提供一個(gè)穩(wěn)定值，則每次取得的模擬信號(hào)必須通過(guò)保持電路保持一段時(shí)間。一般取樣和保持過(guò)程往往是通過(guò)取樣保持電路同時(shí)完成的。 2量化與編碼1）量化：數(shù)字量不僅時(shí)間上是離散的，而且數(shù)值上也是離散的，所以任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。將采樣電壓表示為最小數(shù)量單位（）的整數(shù)倍，稱為量化。所取得最小數(shù)量單位叫做量化單位，用表示，它是數(shù)字信號(hào)最低位（LSB）為1，其他位為0時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬量，即1LSB，其對(duì)應(yīng)的越小，量化誤差越小。2）編碼：將量化的結(jié)果用代碼（可以是二進(jìn)制，

17、也可以是其他進(jìn)制）表示出來(lái)，這個(gè)過(guò)程稱為編碼，這些代碼也是A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量。3.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理3）量化誤差由于模擬電壓是連續(xù)的，那么不可能所有的電壓都能被量化單位整除，所以量化過(guò)程不可避免地會(huì)引入誤差，這種誤差就叫做量化誤差。量化誤差屬于原理性誤差，無(wú)法消除。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值就越小，量化誤差也越小。4）劃分量化電平的兩種方法（1）只舍不入的量化方法（2）四舍五入的量化方法。3.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理3取樣保持電路取樣保持電路的原理圖如圖所示。該電路是由放大器A、保持電容CH和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路組成。其中vI為輸入的模擬電壓， vL為取樣控制信號(hào)，T為N

18、溝道增強(qiáng)型MOS管，作做為模擬開關(guān)，1）工作原理 （1）當(dāng)取樣控制電壓vL為高電平時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，輸入電壓vI通過(guò)R1和T給電容CH充電。若取R1 RF，并設(shè)運(yùn)算放大器為理想放大器，則vO vcvI。 （2）當(dāng)取樣電壓vL為低電平時(shí)，NMOS管截止，CH上的電壓在這段時(shí)間內(nèi)基本不變，則輸出電壓也不變，取樣結(jié)果被保存下來(lái)，即vO vcvICH漏電越小，運(yùn)放的輸入阻抗越高，則保持的時(shí)間也越長(zhǎng)。電路由于充電時(shí)通過(guò)R1和T，它們將影響取樣速度。而若減小R1則會(huì)降低電路的輸入電阻。為了解決這些問(wèn)題，采取的措施是在電路的輸入端增加一級(jí)隔離放大器。3.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理4A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)1）分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為05