《数字信号的输入输出》课件

数字信号的输入输出定义与应用背景课件结构介绍什么是数字信号数字信号定义与模拟信号比较离散取值的非连续信号数值化表示，可精确复制数字与模拟信号的区别信号表现形式抗干扰能力数字离散跳变；模拟连续数字信号抗干扰能力强变化典型应用领域数字计算机；模拟自然声音数字信号的特点二进制取值易于存储与处理通常只有高低两种状态可直接由计算机处理高精度传输失真小，可完整恢复应用场景举例单片机接口传感器系统嵌入式控制控制电路实现功能数据采集与转换智能家电、工业自动化数字信号处理环节总览采样编码将连续信号转为离散点将采样值转为二进制码处理传输数据运算与逻辑操作通过总线或无线方式传送数字信号的采样与量化采样定理量化误差采样频率≥信号最高频率的2倍由精度限制产生的误差奈奎斯特采样定理位数越高，误差越小数字信号的编码自然二进制码最基本的编码方式格雷码相邻数值仅一位变化补码表示有符号数的编码数字信号的传输方式并行传输多条线同时传输，速度快串行传输单线顺序传输，布线简单数字信号输入输出概念数字输入系统接收外部数字信号数字输出系统发送数字信号至外部双向数据传输可切换的输入输出功能数字输入的常见场景按键检测用户界面输入数字开关状态检测与控制传感器触发环境事件监测数字输出的常见场景控制LED驱动继电器状态显示，指示灯控制大功率设备控制切换驱动蜂鸣器声音提示与报警数字口基础I/OI/O引脚物理连接接口I/O控制器管理数据方向与状态I/O寄存器存储配置与数据端口的输入模式I/O浮空输入上拉输入下拉输入无上下拉，易受干扰默认高电平，接地有效默认低电平，接电有效端口的输出模式I/O推挽输出开漏输出主动驱动高低电平只能主动下拉驱动能力强，速度快需外部上拉，可线与输入输出电平标准标准低电平范围高电平范围TTL0-

0.8V

2.0-

5.0VCMOS

3.3V0-

0.8V

2.0-

3.3VCMOS5V0-

1.5V

3.5-

5.0V电平兼容性问题问题识别不同电平标准互连困难电平转换芯片如74HC4050转换电平电路设计解决分压、上拉等方案数字输入的信号读取电路连接外部信号连接至I/O引脚配置I/O设置为输入模式读取寄存器获取引脚电平状态处理数据根据电平执行相应操作数字输入的抗干扰技术滤波电路施密特触发RC低通滤波去除高频噪声电平滞回消除抖动软件消抖延时检测稳定电平变化按键输入消抖原理抖动原因1机械触点弹簧效应硬件消抖2RC延时、施密特触发软件消抖3延时采样、连续检测数字输出的负载类型负载类型决定驱动方式大功率负载需隔离驱动输出口过载保护限流设计驱动隔离反向保护串联电阻限制电流光耦或继电器隔离二极管防止反向电流单片机数字实例I/OGPIO控制LED按键点灯实验配置引脚为输出检测按键输入状态写1点亮，写0熄灭根据输入控制LED输出多路输入输出控制883输出位数输入位数控制线74HC595单芯片输出位数74HC165单芯片输入位数仅需3根线控制多路I/O串行数字信号输入输出UART接口SPI基本原理全双工异步通信同步全双工，多设备I²C通信两线制，地址寻址并行数字信号输入输出数据总线多根并行数据线控制时序时钟与控制信号高速传输多位同时传输常用数字输入传感器霍尔传感器红外对管干簧管磁场检测传感器光电断续检测磁控开关传感器常用数字输出执行器继电器驱动模块控制大功率负载蜂鸣器声音提示功能LED指示灯状态显示功能数字与模拟的联合应用I/O I/O模拟输入ADC采样转换数字处理CPU/MCU运算模拟输出DAC转换还原数字电路的时序要求建立时间保持时间数据稳定到时钟沿时钟沿后数据稳定必须大于最小要求值确保数据被正确采样时钟同步技术时钟抖动同步缓存时序不稳定的影响缓冲解决异步问题采样确认锁相环多次采样提高可靠性产生稳定时钟信号输入输出缓存寄存器缓存作用临时存储数据输入采样锁存外部输入状态输出锁存保持输出状态稳定配置流程GPIO时钟使能使能对应GPIO端口时钟模式配置设置输入/输出模式上下拉配置配置上拉/下拉电阻速度配置设置输出速度输入捕获与输出比较输入捕获输出比较精确测量输入信号时间精确控制输出信号时序记录捕获时间戳时间到达自动输出一种特殊的数字输出PWM实际应用PWM调光调速伺服控制LED亮度控制直流电机速度控制舵机角度精确定位数字输入输出电磁兼容设计滤波屏蔽去耦电容滤除高频噪声金属屏蔽防干扰布线避免高速信号与敏感线并行数字信号输入输出中的误差源干扰电磁辐射影响上升下降沿延迟RC效应造成延迟负载效应过大负载拉低电平通信协议在数字的作用I/O协议特点应用场景I²C两线制，多设备传感器、EEPROMSPI全双工，高速Flash、AD/DAUART异步通信设备间通信的数字信号输入输出FPGA100+1GbpsI/O数量传输速率单个FPGA可用I/O数高速接口传输能力

3.3V标准电平常见FPGA输出电平数字芯片选型要点I/O驱动能力电平兼容性2输出电流大小工作电压匹配工作温度速度指标环境适应能力响应时间与切换频率电路设计中的安全保护TVS管瞬态电压抑制保护隔离光耦电气隔离防干扰滤波器抑制共模干扰数模转换与模数转换应用ADC0809DAC0832经典8位模数转换芯片8位数模转换芯片8通道模拟输入电流输出型DAC数字输入输出常见故障短路引脚与电源或地直接相连断路信号路径中断异常抖动干扰或设计不良故障排查流程目视检查检查焊接、元件状态电气测量万用表测量电路参数信号分析示波器观察信号波形软件调试程序单步执行分析数字实验点阵显示I/O LED电路结构点亮原理控制方法行列式扫描驱动行列扫描逐行点亮74HC595级联驱动数字实验按键消抖实操I/O硬件框图软件流程按键与上拉电阻读取按键状态RC滤波去抖延时10ms后再次读取比较两次结果确认数字信号未来发展趋势I/O智能化I/O高速低功耗自适应接口集成状态监测与保护功能更高速率，更低功耗设计智能识别并配置接口标准知识小结与复习1数字信号基础二进制表示，高低电平2输入输出原理输入采样，输出驱动3常见问题及解决干扰抑制，过载保护4实际应用案例按键检测，LED控制与课后思考QA信号与干扰1如何提高抗干扰能力？输入输出设计2如何选择合适的I/O接口？拓展应用3如何设计多传感器系统？。