8 输入输出接口设计

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1、8输入输出接口设计28.1A/D接口电路28.1.1A/D转换器概述28.1.2AD574A/D转换接口实例38.1.3TLC2543A/D转换接口实例68.2D/A接口电路88.2.1D/A转换器概述88.2.2AD7846D/A转换接口实例118.2.3AD5320D/A转换接口实例138.3开关量输入和输出通道178.3.1开关量输入通道178.3.2开关量输出通道208.3.3开关量输入／输出通道的抗干扰20218输入输出接口设计在嵌入式系统中，输入输出接口单元是很重要的电路装置，无论是在嵌入式系统中额外加上扩展内存，以执行更多的指令或是处理更多的数据，或者是外接信号

2、输入的外围装置，这些都需要嵌入式系统的输入输出接口硬件架构。输入输出接口主要分为模拟量输入、模拟量输出、开关量输入和开关量输出。在嵌入式系统中，模拟量必须转换成数字量后才能输入到ARM中进行处理。ARM处理的结果，也常常需要转换成模拟信号。实现模拟量转换成数字量或数字量转换为模拟量的器件主要是A/D和D/A转换器。现在已经有很多介绍A/D、D/A转换技术与原理的专著，本章就不再累述。在大规模集成电路技术迅速发展的今天，对嵌入式系统的设计人员来说，只需要合理的选用商品化的打规模A/D、D/A集成电路芯片，了解他们的引脚、功能以及与ARM的接口方法。本章分别从A/D、D/A接口电

3、路和开关量输入输出通道分别介绍嵌入式的输入输出接口。8.1A/D接口电路模拟量输入通道的主要任务是完成模拟量的采集并将其转换成数字量输入到嵌入式系统中。根据被控参量和控制要求的不同，模拟量输入通道的结构也不相同，但是基本都是采用A/D接口电路的形式。本节就详细介绍了A/D接口电路。8.1.1A/D转换器概述A/D转换器（ADC）是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备，它是模拟系统与数字系统（如计算机）之间的接口。随着超大规模集成电路技术的飞速发展，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换芯片应运而

4、生。1．A/D转换器的分类尽管A/D转换器的种类很多，但目前应用较广泛的主要有以下几种类型：逐次比较式转换器、双积分式转换器、式A/D转换器和V/F式A/D转换器。逐次比较型A/D转换器，在精度、速度和价格上都适中，是最常用的A/D转换器件。双积分A/D转换器，具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点，但转换速度慢，近年来在嵌入式系统应用领域中也得到广泛应用。式A/D转换器具有积分式与逐次比较式ADC的双重优点。它对工业现场的串模干扰具有较强的抑制能力，不亚于双积分ADC，它比双积分ADC有更高的转换速度，与逐次比较式ADC相比，有较高的信噪比，分辨率高，线性度好，不需要采样保

5、持电路。由于上述优点，式ADC得到了重视，目前已有多种式A/D芯片投向市场。而V/F式A/D转换器适用于转换速度要求不太高，需进行远距离信号传输的A/D转换过程。2．A/D转换器的主要技术指标A/D转换器的品种相当繁多，它们的性能也不尽相同。下面我们介绍A/D转换器的主要技术指标。（1）转换时间和转换速率转换时间即A/D完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。并行式A/D转换器，转换时间最短约为20～50ns，速率为2×107～5×107次/s；双极性逐次比较式转换时间约为0.4，速率为2.5×106次/s。（2）分辨率A/D转换器的分辨率习惯上用输出二进制位数或

6、BCD码位表示。例如AD574，可输出二进制12位，即用212个数进行量化，其分辨率为1LSB，用百分数表示为21。又如双积分式输出BCD码的A/D转换器MC14433，其分辨率为位，即三位半。若满字位为1999，用百分数表示其分辨率为1/1999×100%。量化过程引起的误差为量化误差。量化误差是由于有限位数字量对模拟量进行量化而引起的误差。量化误差理论上规定为1个单位分辨率的±1/2LSB，提高分辨率可减少量化误差。（3）转换精度A/D转换器的转换精度定义为一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值。可用绝对误差或相对误差表示。3．A/D转换器的选择A/D

7、转换器按照输出代码的有效位数分为4位、8位、10位、12位、14位、16位和BCD码输出的位、位、位等多种；按照转换速度可分为超高速（转换时间1ns）、高速（转换时间1s）、中速（转换时间1ms）、低速（转换时间1s）等几种不同转换速度的芯片。为适应系统集成的需要，有些转换器还将多路转换开关、时钟电路、基准电压源、二/十进制译码器和转换电路集成在1个芯片内，为用户提供了很多方便。在设计数据采集系统、测控系统和智能仪器仪表时，重要的难题就是如何选择合适的A/D转换器以满足应用系统设计的要求。下面从不同角度