第8章 模拟量的输入输出精选文档.ppt

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1、第8章 模拟量的输入输出本讲稿第一页，共三十九页 n模拟量模拟量I/OI/O接口的作用接口的作用n实际工业生产环境连续变化的模拟量 例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量 n计算机内部离散的数字量二进制数、十进制数n工业生产过程的闭环控制 概述 模拟量模拟量D/AD/A传感器传感器执行元件执行元件A/DA/D数字量数字量数字量数字量模拟量模拟量模拟量输入模拟量输入(数据采集数据采集)模拟量输出模拟量输出(过程控制过程控制)计算机计算机本讲稿第二页，共三十九页v模拟量输入输出通道的组成模拟量输入输出通道的组成v数数/模模(D/A)D/A)转换器转换器v模模/数数(A/D)A/D)转换器转换器v

2、本章习题本章习题本章内容本讲稿第三页，共三十九页 8.1 模拟量I/O通道的组成模拟接口电路的任务模拟接口电路的任务模拟电路的任务模拟电路的任务0010110110101100工工业业生生产产过过程程传感传感器器放大放大滤波滤波多路转换多路转换&采样保持采样保持A/D转换转换放大放大驱动驱动D/A转换转换输出输出接口接口微微型型计计算算机机执行执行机构机构输入输入接口接口物理量物理量变换变换信号信号处理处理信号信号变换变换I/O接口接口输入通道输入通道输出通道输出通道本讲稿第四页，共三十九页8.1.1 模拟量输入通道n传感器（传感器（Transducer）n非电量电压、电流 n变送器（变送器（

3、Transformer）n转换成标准的电信号n信号处理（信号处理（Signal Processing）n放大、整形、滤波 n多路转换开关（多路转换开关（Multiplexer）n多选一n采样保持电路（采样保持电路（Sample Holder，S/H）n保证变换时信号恒定不变nA/D变换器（变换器（A/D Converter）n模拟量转换为数字量 本讲稿第五页，共三十九页8.1.2 模拟量输出通道nD/A变换器（变换器（D/A Converter）n数字量转换为模拟量n低通滤波低通滤波n平滑输出波形n放大驱动放大驱动n提供足够的驱动电压，电流本讲稿第六页，共三十九页8.2 数/模（D/A）转换器

4、8.2.1 D/A转换器的基本原理及技术指标转换器的基本原理及技术指标nD/A变换器的基本工作原理变换器的基本工作原理组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器 两种电阻网络：权电阻网络、R-2R梯形电阻网络基本结构如图：VrefRf 模拟开关模拟开关电阻网络电阻网络VO数字量数字量本讲稿第七页，共三十九页D/A变换原理 运放的放大倍数足够大时，输出电压运放的放大倍数足够大时，输出电压VO与输与输入电压入电压Vin的关系为：的关系为：式中：式中：Rf 为反馈电阻为反馈电阻 R 为输入电阻为输入电阻 VinRf VOR 本讲稿第八页，共三十九页 若输入端有n个支路,则输出电压VO与输入电压Vi的关系为

5、：VinRf VOR1式中：式中：Ri 为第为第i支路的输支路的输 入电阻入电阻Rn本讲稿第九页，共三十九页2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8令每个支路的输入电阻为2iRf,并令Vin为一基准电压Vref图中的电阻网络就称为图中的电阻网络就称为权电阻网络权电阻网络本讲稿第十页，共三十九页则有如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为 若若Si=1,该项对该项对VO有贡献有贡献若若Si=0,该项对该项对VO无贡献无贡献本讲稿第十一页，共三十九页n用用8位二进制代码来表示图中的位二进制代码来

6、表示图中的S1S8(Di=1时时Si闭合；闭合；Di=0时时Si断开断开)，则二，则二进制代码的不同，输出电压进制代码的不同，输出电压VO也不同，这也不同，这就构成了就构成了8位的位的D/A转换器。转换器。n当二进制代码在当二进制代码在0FFH之间变化时，之间变化时，VO相应地在相应地在0-(255/256)Vref之间变化。之间变化。n为控制电阻网络各支路电阻值的为控制电阻网络各支路电阻值的精度精度，实际，实际的的D/A转换器采用转换器采用R-2R梯形电阻网络，梯形电阻网络，它只用两种阻值的电阻它只用两种阻值的电阻(R和和2R)。本讲稿第十二页，共三十九页R-2R梯形电阻网络2R本讲稿第十三

7、页，共三十九页D/A转换器的主要技术指标分辨率分辨率（Resolution）n输入的二进制数每输入的二进制数每1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。使输出变化的程度。n一般用输入数字量的位数来表示一般用输入数字量的位数来表示:如如8位、位、10位位例：一个满量程为5V的10位DAC，1 LSB的变化将使输出变化 5/(210-1)=5/1023=0.04888V=48.88mV转换精度（误差）转换精度（误差）n实际输出值与理论值之间的最大偏差。实际输出值与理论值之间的最大偏差。n一般用最小量化阶一般用最小量化阶来度量，如来度量，如1/2 LSB1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量，如

8、也可用满量程的百分比来度量，如0.05%FSR0.05%FSR(LSB-Least Significant Bit,FSR-Full Scale Range)(LSB-Least Significant Bit,FSR-Full Scale Range)本讲稿第十四页，共三十九页 转换时间转换时间从开始转换到与满量程值相差从开始转换到与满量程值相差1/2 LSB1/2 LSB所对应所对应的模拟量所需要的时间的模拟量所需要的时间tV1/2 LSBtCVFULL本讲稿第十五页，共三十九页8.2.2 典型D/A转换器芯片nDAC0832n特性：特性：8位电流输出型位电流输出型D/A转换器转换器T型电

9、阻网络型电阻网络差动输出差动输出n引线引线p351 图图8-7本讲稿第十六页，共三十九页DAC0832内部结构内部结构 P351图图8-8本讲稿第十七页，共三十九页引脚功能引脚功能D7D0：输入数据线：输入数据线ILE：输入锁存允许：输入锁存允许CS#：片选信号：片选信号WR1#：写输入锁存器：写输入锁存器 上述三个信号用于把数据写入到输入锁存器WR2#：写：写DAC寄存器寄存器XFER#：允许输入锁存器的数据传送到：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器寄存器 上述二个信号用于启动转换VREF：参考电压，：参考电压，-10V+10V，一般为，一般为+5V或或+10VIOUT1、IOUT2：D

10、/A转换差动电流输出，接运放的输入转换差动电流输出，接运放的输入Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出：内部反馈电阻引脚，接运放输出AGND、DGND：模拟地和数字地：模拟地和数字地 本讲稿第十八页，共三十九页工作时序D/A转换可分为两个阶段：转换可分为两个阶段：CS#=0、WR1#=0、ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器；WR2#=0、XFER#=0，数据传送到DAC寄存器，并开始转换。写输入写输入寄存器寄存器写写DAC寄寄存器存器本讲稿第十九页，共三十九页工作方式n单缓冲方式单缓冲方式n使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通。CPU只需一次写入即开始转只需一次写入即开始转换。控制比较

11、简单。换。控制比较简单。P352图图8-9。n双缓冲方式（标准方式）双缓冲方式（标准方式）n转换要有两个步骤：转换要有两个步骤：将数据写入输入寄存器将数据写入输入寄存器CS#=0、WR1#=0、ILE=1将输入寄存器的内容写入将输入寄存器的内容写入DAC寄存器寄存器WR2#=0、XFER#=0 n优点：数据接收与优点：数据接收与D/A转换可异步进行；转换可异步进行；n可实现多个可实现多个DAC同步转换输出同步转换输出分时写入分时写入、同步转换同步转换n直通方式直通方式n使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终跟随输入变化。使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终跟随输入变化。n不能

12、直接与数据总线连接，需外加并行接口，需外加并行接口(如如74LS373、8255本讲稿第二十页，共三十九页D/A转换器的应用n函数发生器函数发生器(信号源信号源)只要往只要往D/A转换器转换器写入按规律变化的数据，即可在输出端获得写入按规律变化的数据，即可在输出端获得正弦波、三角波、锯齿波、方波、阶梯波、正弦波、三角波、锯齿波、方波、阶梯波、梯形波等函数波形。梯形波等函数波形。n直流电机的转速控制直流电机的转速控制nP354 例8-2本讲稿第二十一页，共三十九页8.3 模/数（A/D）转换器n将连续变化的模拟信号转换为数字信号，将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便于计算机进行处理。常用于以

13、便于计算机进行处理。常用于数据采集数据采集系统系统。n类型类型n计数型计数型A/D变换器变换器n双积分型双积分型A/D变换器变换器n逐位反馈型逐位反馈型A/D变换器变换器 本讲稿第二十二页，共三十九页8.3.1 工作原理及技术指标逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器结构：由结构：由D/A转换器、比较器和逐次逼近寄存器转换器、比较器和逐次逼近寄存器SAR组成。见组成。见P238页图。页图。本讲稿第二十三页，共三十九页工作原理 类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称物体。近被称物体。例如：例如：用用8个砝码个砝码20g，21g，

14、27g，可以称出，可以称出1255g之之 间的物体。现有一物体，用砝码称出其重量（假定重量为间的物体。现有一物体，用砝码称出其重量（假定重量为176g）。）。1 1）ADCADC从高到低逐次给从高到低逐次给SARSAR的每一位的每一位“置置1 1”（即加上不同权重的（即加上不同权重的砝码），砝码），SARSAR相当于放法码的称盘；相当于放法码的称盘；2 2）每次）每次SARSAR中的数据经中的数据经D/AD/A转换为电压转换为电压V VCC ；3 3）V VCC与输入电压与输入电压V Vi i比较，若比较，若V VCCVVi i，保持当前位的，保持当前位的1 1，否则当前，否则当前位位置置0

15、0；4 4）从高到低逐次比较下去，直到）从高到低逐次比较下去，直到SARSAR的每一位都尝试完；的每一位都尝试完；5 5）SARSAR内的数据就是与内的数据就是与V Vi i相对应的相对应的2 2进制数。进制数。本讲稿第二十四页，共三十九页主要技术指标精度精度 量化间隔(分辨率)=Vmax/电平数(即满量程值)例：某8位ADC的满量程电压为5V，则其分辨率为 5V/255=19.6mV 量化误差:用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量字长有限而无法精确地表示连续量所造成的误差。(字长越长，精度越高)绝对量化误差=量化间隔/2=(满量程电压/(2n-1)/2相对量化误差=1/2*1/量化电平数

16、目*100%例：满量程电压=10V，A/D变换器位数=10位，则 绝对量化误差 10/211=4.88mV 相对量化误差 1/211*100%=0.049%本讲稿第二十五页，共三十九页转换时间转换时间转换一次需要的时间。精度越高（字长越长），转换速度越慢。输入动态范围输入动态范围允许转换的电压的范围。如05V、010V等。本讲稿第二十六页，共三十九页典型的A/D转换器简介ADC08098通道（通道（8路）输入路）输入8位字长位字长 逐位逼近型逐位逼近型转换时间转换时间100s 内置三态输出缓冲器内置三态输出缓冲器外部引脚外部引脚 P359本讲稿第二十七页，共三十九页引脚功能 nD7D0：输出数

17、据线（三态）：输出数据线（三态）nIN0IN7：8通道（路）模拟输入通道（路）模拟输入nADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道选择）：通道地址（通道选择）nALE：通道地址锁存：通道地址锁存nSTART：启动转换：启动转换nEOC：转换结束，可用于查询或作为中断申请：转换结束，可用于查询或作为中断申请nOE：输出允许（打开输出三态门）：输出允许（打开输出三态门）nCLK：时钟输入（：时钟输入（10KHz1.2MHz）nVREF(+)、VREF(-)：基准参考电压：基准参考电压本讲稿第二十八页，共三十九页ADC0809内部结构内部结构 P360START EOC CLK OED7D0VRE

18、F(+)VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比较器比较器8路模路模拟开关拟开关逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器SAR树状开关树状开关电阻网络电阻网络三态输三态输出锁存出锁存器器时序与控制时序与控制地址锁地址锁存及存及译码译码D/A8个个模模拟拟输输入入通通道道8选选1本讲稿第二十九页，共三十九页工作时序 本讲稿第三十页，共三十九页ADC0809的工作过程根据时序图，根据时序图，ADC0809的工作过程如下：的工作过程如下：把把通道地址送到通道地址送到ADDAADDC上，选择模，选择模拟输入；拟输入；在通道地址信号有效期间，在通道地址信号有效期间，ALE上的上的上升沿将地址锁存到

19、内部地址锁存器；将地址锁存到内部地址锁存器；START引脚上的引脚上的下降沿启动启动A/D变换；变换；变换开始后，变换开始后，EOC引脚呈现低电平，引脚呈现低电平，EOC重新变为高电平时表示转换结束；重新变为高电平时表示转换结束；OE信号打开输出锁存器的三态门送出结果信号打开输出锁存器的三态门送出结果。本讲稿第三十一页，共三十九页ADC0809与系统的连接 模拟输入端模拟输入端INi单路输入模拟信号可固定连接到任何一个输入端地址线根据输入线编号固定连接(高电平或低电平)多路输入模拟信号按顺序分别连接到输入端要转换哪一路输入，就将其编号送到地址线上(动态选择)单路输入时单路输入时ADDCADDB

20、ADDAIN4ADC0809输入输入多路输入时多路输入时ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输入输入0输入输入1输入输入2输入输入3输入输入4CPU指定指定通道号通道号+5V本讲稿第三十二页，共三十九页地址线地址线ADDA-ADDC多路输入时，地址线不能接死，而是要通过一个接口芯片与数据总线连接。接口芯片可以选用：锁存器74LS273，74LS373等（要占用一个I/O地址）可编程并行接口8255（要占用四个I/O地址）CPU用一条OUT指令把通道地址通过接口芯片送给0809ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输输入入DB74LS

21、273Q2Q1Q0CP来自来自I/O译译码码D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#来自来自I/O译码译码D0-D7A1A0A1A0本讲稿第三十三页，共三十九页 数据输出线数据输出线D0D7内部已接有三态门，故可直接连到DB上也可另外通过一个输入接口与DB相连上述两种方法均需占用一个I/O地址D0-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译译码码D0-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译译码码直接连直接连DB通过输入接口连通过输入接口连DB74LS244+5VDIDOE1#E2#本讲稿第三十四页，共三十九页地址锁存

22、地址锁存ALE和启动转换和启动转换START两种连接方法：独立连接：用两个信号分别进行控制需占用两个I/O端口或两个I/O线(用8255时)；统一连接：用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁存，下降沿实现启动转换只需占用一个I/O端口或一个I/O线(用8255时)，P362图。ADC0809ALESTART独立连接独立连接来自来自I/O译译码码1来自来自I/O译译码码2ADC0809ALESTART统一连接统一连接来自来自I/O译译码码本讲稿第三十五页，共三十九页 转换结束转换结束EOC软件延时等待(比如延时1ms)不用EOC信号CPU效率最低软件查询EOC状态EOC通过一个三态门连到数据总线的D0

23、(其他也可以)三态门要占用一个I/O端口地址CPU效率低把EOC作为中断申请信号，接到8259的IR端在中断服务程序中读入转换结果，效率高本讲稿第三十六页，共三十九页D0IN0A15-A0IOR#IOW#D7D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA译译码码器器ADC0809一个连接实例一个连接实例本讲稿第三十七页，共三十九页ADC0809程序程序(以上图为例以上图为例)用延时等待的方法用延时等待的方法MOV DX,start_portOUT DX,AL;启动转换启动转换CALL DELAY_1MS;延时延时1msMOV DX,oe_portIN AL,DX;读入结果读入结果用查询用查询EOC状态的方法状态的方法MOV DX,start_portOUT DX,AL;启动转换启动转换LL:MOVDX,eoc_portINAL,DX;读入读入EOC状态状态AND AL,01H;测试第测试第0位位(EOC状态位状态位)JZLL;未转换完，则循环检测未转换完，则循环检测MOVDX,oe_portINAL,DX;读入结果读入结果本讲稿第三十八页，共三十九页本章习题P364 2，4，5，10（2）本讲稿第三十九页，共三十九页