计算机结构与逻辑设计总线接口.pptx

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1、1终端、总线与接口终端（外部输入输出）总线（内部或者外部模块之间联系桥梁）接口（标准定义的）第1页/共63页2输入输出设备显示器打印机绘图仪键盘鼠标扫描仪等1.输入设备2.输出设备输入：1）直接二进制码输入，2）键盘输入3）扫描输入，4）模拟输入等。输出：1）视频输出2）打印输出3）其他形式输出第2页/共63页3总线（BUS）定义：是指计算机系统中能够为多个部件共享的一组公共信息传输线路。按功能和传输信息的种类可以分为：a.数据总线 b.地址总线 c.控制总线性能表征：a.总线宽度 b.总线频率第3页/共63页4总线与接口 微型计算机硬件系统由微处理器、存储器、各种输入/输出接口电路以及系统总

2、线组成。微 处 理 器 CPU 主存储器外存接口输入输出接口其他I/O口各种外设键盘、显示器等软、硬盘驱动器ABDBCB微型机的系统结构图如下：第4页/共63页5Analog Digital Converter and Digital Analog Converter转换器转换器。6.2 模数与数模转换器第5页/共63页6A/D 转换器 D/A 转换器 模拟 控制器 工业生产过程控制对象 模 拟 传感器 ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。将温度、压力、流量、应力等物理量转换为模拟电量。计算机进行数字处理（如计算、滤波）、保存等用模拟量作为控制信号数字控制 计算机A/D，D/A

3、概述第6页/共63页7D/A例子第7页/共63页8D/A转换器1 D/A转换的基本原理2 倒T形电阻网络D/A转换器4 D/A转换器的输出方式3 权电流D/A转换器5 D/A转换器的技术指标6 D/A转换器的应用第8页/共63页9将数字量转换为与之成正比模拟量。n位数字量1.概述DACD/A转换器模拟量1、数/模转换器:O=K NB 第9页/共63页10 数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，从而实现数字量-模拟量的转换。实现D/A转换的基本思想 NDb424b

4、323b222b121b020 124123022021120将二进制数ND(11001)B转换为十进制数。D/A转换的基本原理第10页/共63页11 D/A转换器的组成:DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入用存放在数字寄存器中的数字量的各位数码由输入数字量控制产生权电流将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压第11页/共63页12 实现D/A转换的原理电路，,第12页/共63页13 D/A转换器的分类:按解码网络结构分类 T型电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC权电流DAC 权电阻网络DAC 按模拟电子开关电路分类 CMOS开关型DAC双极型开关型DAC 电流开关型DAC ECL电流开关型D

5、AC D/A 转换器第13页/共63页14倒T形电阻网络D/A转换器Di=0,Si则将电阻2R接地Di=1,Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路 电阻网络模拟电子开关求和运算放大器输出模拟电压输入4位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻将接“地”或虚地。1、4位倒T形电阻网络D/A转换器基准电压 电阻网络 模拟电子开关 求和运算放大器第14页/共63页15D/A转换器的倒T形电阻网络基准电源VREF提供的总电流为：I=？流过各开关支路的电流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/

6、2I3I2I1I0流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8R I0=VREF/16 R第15页/共63页16流入运放的总电流：i I0+I1+I2+I3输出模拟电压：第16页/共63页174 位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压：n 位倒T形电阻网络DAC有：令：则O=K NB 在电路中输入的每一个二进制数NB，均能得到与之成正比的模拟电压输出。第17页/共63页18AD7533D/A转换器使用:1)要外接运放，2)运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻）2.集成D/A转换器10位CMOS电流开关型D/A转换器 第1

7、8页/共63页19关于D/A转换器精度的讨论(1)基准电压稳定性好；(2)倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高；(3)为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求：(3)每个模拟开关的开关电压降要相等第19页/共63页20Di=1时，开关Si接运放的反相端;Di=0时，开关Si接地。权电流D/A转换器1.4位权电流D/A转换器第20页/共63页21在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转

8、换精度。第21页/共63页22D/A转换器的输出方式8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系000000001000000011111110000000011000000111111111模拟量 数字量MSB LSB第22页/共63页23常用双极性编码十十进进制制数数2的补码的补码偏移二进制码偏移二进制码模模拟拟量量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0 0/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126 100000001100000011000000000100000000-11111111101111111

9、-1 -1271000000100000001-127-1281000000000000000-128 *表中VLSB=VREF/256第23页/共63页24 第24页/共63页25D/A转换器的主要技术指标分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。n位DAC最多有2n个模拟输出电压。位数越多D/A转换器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。n位D/A转换器的分辨率可表示为1、分辨率第25页/共63页262、转换精度：v转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与理论值之间的最大偏差。v产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，如

10、基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。v几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等第26页/共63页27集成D/A转换器的应用(1)数字式可编程增益控制电路 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I 2R 2R 2R-+RF IOUT1 IOUT 2 VREF 第27页/共63页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形电阻网络OVIA=Iout1 I0+I1+I2+

11、I9根据虚断有:第28页/共63页29(2)脉冲波产生电路74163具同步清零功能74163和与非门构成十进制计数器：00001001第29页/共63页306 集成A/D转换器及其应用A/D 转换器1 A/D转换的一般工作过程2 并行比较型A/D转换器3 逐次比较型A/D转换器4 双积分式A/D转换器5 A/D转换器的主要技术指标第30页/共63页31概述ADCDnD0输出数字量输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1.A/D功能:A/D 转换器第31页/共63页322.A/D转换器分类 并联比较型 特点:转换速度快,转换时间 10ns 1s,但电路复杂。逐次逼近型 特点:转换速

12、度适中,转换时间 为几s 100 s,转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。双积分型 特点:转换速度慢,转换时间 几百s 几ms,但抗干扰能力最强。第32页/共63页33取样时间上离散的信号保持、量化量值上也离散的信号编码模拟信号时间上和量值上都连续数字信号时间上和量值上都离散A/D转换的一般工作过程 A/D转换器一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程。第33页/共63页341.取样与保持 采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量。采样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。采样定理：设采样信号S

13、(t)的频率为fs，输入模拟信号I(t)的最高频率分量的频率为fimax，则 fs 2fimaxS(t)=1:开关闭合S(t)=0:开关断开第34页/共63页35采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。采样保持取样与保持电路及工作原理保持第35页/共63页362.量化与编码数字信号在数值上是离散的。采样保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量

14、。2.量化3.编码第36页/共63页37在量化过程中由于所采样电压不一定能被整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越 多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。4.量化误差：量化前的电压与量化后的电压差5.量化方式第37页/共63页38011111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号编码量化后电压a)只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化

15、单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最小量化单位1/8V=1LSB=1/8 V例：将01V电压转换为3位二进制代码第38页/共63页39b)四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最小量化单位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v输入信号编码模拟电平=1LSB=2/15 V1/15V例：将01V电压转换为3位二进制代码第39页/共

16、63页40并行比较型A/D转换器电压比较器输入模拟电压精密电阻网络精密参考电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数字量1、电路组成第40页/共63页41VI=8VREF/151111000001第41页/共63页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 0 0

17、 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 013VREF/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 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。第42页/共63页433、电路特点：在并

18、行A/D转换器中，输入电压I同时加到所有比较器的输入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与I输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。缺点是电路复杂，如三位ADC需7个比较器、7个触发器、8个电阻。位数越多，电路越复杂。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如AD公司的AD9012(TTL工艺8位)、AD9002(ECL工艺，8位)、AD9020(TTL工艺，10位)等。第43页/共63页44所加砝码重量 结果 逐次比较型A/D转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似。第一次8 克砝码总重 待测重量Wx，8克砝码

19、保留8 克第二次再加4克砝码总重仍 待测重量Wx，2克砝码撤除12 克第四次再加1克砝码总重 待测重量Wx，1克砝码保留13 克1.转换原理 所用砝码重量：8克、4克、2克和1克。设待秤重量Wx=13克。第44页/共63页451.转换原理 1 0 0 0 1 0 0 0 I 5V 1A=6.84VVREF=10V第一个CP：第45页/共63页461.转换原理 第二个CP：0 1 0 0 1 1 0 0 10I 7.5V I=6.84VVREF=10V第46页/共63页471.转换原理 第三个CP：0 0 1 0 1 0 1 0 I 6.25V 101A=6.84VVREF=10V第47页/共6

20、3页4810000000A=6.84VVREF=10V1010111111000000101000001011000010101000101011001010111010101111第48页/共63页49小结：1、逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；2、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短；第49页/共63页50双积分式A/D转换器1、双积分式A/D转换器的基本指导思想 对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而

21、得到相应的数字量输出。双积分式A/D转换器也称为电压时间数字式积分器。第50页/共63页511、电路组成第51页/共63页5200000Cr信号将计数器清零；开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，断开S2 使电容的初始电压为0。2、工作原理准备阶段：第52页/共63页53经过2n个CP(2)第一次积分：t=t0时，开关S1与A端相接，积分器开始对I积分。经2n个CP后,开关切换到B，=VP。第一积分时间为2nTC第53页/共63页54VREF加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当t=t2时积分器输出电压O0，比较器输出C=0，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停止。(3)第二次积分：第54

22、页/共63页55T1=2nTC T2=Tc T2=t1 t2 在计数器所计的数=Qn-1Q1Q0，就是A/D转换器得到的结果。第55页/共63页56双积分式A/D转换器优点：1.由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线 性带来的误差。2.由于双积分A/D转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。T1=2nTC3.只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。第56页/共63页571.转换精度 A/D转换器的主要技术指标 单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。分辨率:说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制(或十进制)

23、数的位数表示。转换误差：表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。第57页/共63页582.转换时间 指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关并行比较A/D转换器的转换速度最高,逐次比较型A/D转换器次之,间接A/D转换器(如双积分A/D)的速度最慢。并行比较A/D转换器(8位）逐次比较型A/D转换器 间接A/D转换器1050s50ns10ms1000ms第58页/共63页59 使用A/D转换器时应注意以下几点：(1)转换过程各信号的时序配合100 s集成A/D转换器及其应用第59页/共63页60(2)零点和满刻度调节(3)参考电压的调节 (4)接地 模拟电路电源 模拟电路 A/D转换器 数字电路电源 数字电路 A A/D、D/A及采样保持芯片上都提供了独立的模拟地(AGND)和数字地(DGND)的引脚。模数、数模转换电路中要特别注意到地线的正确连接，否则干扰很严重，以致影响转换结果的准确性。在线路设计中，必须将所有器件的模拟地和数字地分别相连，然后将模拟地与数字地仅在一点上相连接。第60页/共63页616.5 计算机的远地传送串口通信：同步，异步。校验码和校验电路串/并转换电路。第61页/共63页62第62页/共63页63感谢您的观看。第63页/共63页