6章1模拟量输入输出110822讲解优秀PPT.ppt

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1、微机原理与应用 主讲老师：姜涛教学内容教学内容:第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基础其次章其次章 微型计算机指令系统微型计算机指令系统第三章第三章 汇编语言程序设计汇编语言程序设计第四章第四章 半导体存储器半导体存储器第五章第五章 数字量输入输出数字量输入输出第六章第六章 模拟量输入输出模拟量输入输出微机原理与应用第第1 1章、微型计算机基础章、微型计算机基础1.31.3微型计算机系统的组成、分类和配置微型计算机系统的组成、分类和配置微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成4微型计算机系统的三个层次微处理器微处理器存储器I/O接口总线 硬件系统软件系统微微 型型计算机计算机系系 统统微微

2、 型型计算机计算机(主机主机)外 设ALU寄存器控制器键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪系统软件应用软件5微型计算机的概念结构存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线地址总线 ABAB输出设备CPU数据总线数据总线 DBDB限制总线限制总线 CB CBI/O接口AB:Address BusDB:Data BusCB:Control Bus8086/8088最大模式结构5.2 系统总线及接口系统总线及接口7一、操作码-部分8088常用指令指令类型指令类型助记符助记符数据传送数据传送MOV，PUSH/POP，XCHG等地址传送LEA，LDS，LES输入输出IN，OUT算术运算加法A

3、DD，ADC，INC减法SUB，SBB，DEC，NEG，CMP乘/除法MUL，IMUL，DIV，IDIV逻辑AND，OR，NOT，XOR，TEST移位SHL/SHR/SAR，ROL/ROR，RCL/RCR串操作MOVS，CMPS，SCAS，LODS，STOS控制转移JMP，JXX，LOOP，CALL/RET，INT/IRET8第第6 6章章模拟量输入输出模拟量输入输出9主要内容：6.1模拟量的输入与输出通道6.2D/A（数/模)转换器6.3A/D（模/数)转换器6.4多路转换器6.5采样保持器6.6数据采集系统(DAS)6.7采样定理习题106.1模拟量的输入与输出通道 工业限制过程中的测量和

4、限制量是模拟量：温度，压力等。116.1模拟量的输入与输出通道6.1.1模拟量输入通道的组成传感器（Transducer）非电量非电量电压、电流电压、电流 变送器（Transformer）转换成标准的电信号：转换成标准的电信号：0-100-10mA,4-20mA,0-5v,mA,4-20mA,0-5v,信号处理（Signal Processing）放大、整形、滤波放大、整形、滤波 多路转换开关（Multiplexer）多选一多选一采样保持电路（Sample Holder，S/H）保证变换时信号恒定不变保证变换时信号恒定不变A/D变换器（A/D Converter）模拟量转换为数字量模拟量转换为

5、数字量 126.1模拟量的输入与输出通道6.1.2模拟量输出通道的组成D/A变换器（D/A Converter）数字量转换为模拟量低通滤波平滑输出波形放大驱动供应足够的驱动电压，电流136.2D/A（数/模)转换器D/A转换器的工作原理D/A转换器的主要技术指标6.2.3典型的D/A转换器芯片D/A转换器与微处理器的接口6.2 数/模（D/A）变换器6.2.1 D/A变换器的基本原理D/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、组成：模拟开关、电阻网络电阻网络、运算放大器、运算放大器 两种电阻网络：权电阻网络、两种电阻网络：权电阻网络、R-2R梯形电阻网络梯形电阻网络基本结构如

6、图：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D/A变换原理 运放的放大倍数足够大时，输出电压Vo与输入电压Vin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 D/A变换原理 若输入端有若输入端有n个支路个支路,则输出电压则输出电压VO与输入与输入电压电压Vi的关系为：的关系为：式中：式中：Ri 为第为第i支路的输支路的输 入电阻入电阻n电阻网络就称为权电阻网络电阻网络就称为权电阻网络如下如下(图中图中n=8)：令每个支路的输入电阻为令每个支路的输入电阻为2iRf,并令并令Vin为为一基准电压一基准电压Vref

7、，则有，则有假如每个支路由一个开关假如每个支路由一个开关Si限制，限制，Si=1表表示示Si合上，合上，Si=0表示表示Si断开，则上式变换断开，则上式变换为为 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无贡献无贡献假如用假如用8位二进制代码来限制图中的位二进制代码来限制图中的S1S8(Di=1时时Si闭合；闭合；Di=0时时Si断开断开)，那么，那么依据二进制代码的不同，输出电压依据二进制代码的不同，输出电压VO也不也不同，这就构成了同，这就构成了8位的位的D/A转换器。转换器。可以看出，当代码在可以看出，当代码在0FFH之间变更时，之间变更时，VO相应地在相应

8、地在0-(255/256)Vref之间变更。之间变更。为限制电阻网络各支路电阻值的精度，实为限制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的际的D/A转换器接受转换器接受R-2R梯形电阻网络梯形电阻网络(见见下页下页)，它只用两种阻值的电阻，它只用两种阻值的电阻(R和和2R)。R-2R梯形电阻网络 V0=-(D/256)*(Rf/R)*Vref D/A转换器输出的两种形式 电流型D/A连接成电压输出方式 D/A转换器双极性输出连接电路 246.3.2D/A转换器的主要技术性能辨别率（Resolution）输入的二进制数每1个最低有效位(LSB)使输出变更的程度。一般用输入数字量的位数来表示:如8位、10

9、位例：一个满量程为5V的10位DAC，1 LSB的变更将使输出变更 5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV转换精度（误差）确定误差：实际输出值与理论值之间的最大偏差。一般用最小量化阶来度量，如1/2 LSB 相对误差：也可用满量程的百分比来度量，如0.05%FSRLSB:Least Significant BitFSR:Full Scale Range)转换时间-稳定时间从起先转换到与满量程值相差1/2 LSB所对应的模拟量所须要的时间tV1/2 LSBtCVFULL0 线性误差在满量程范围内，偏离志向转化特性的最大值。温度系数：温度每变更1度，增益、线性、零点等

10、参数的变更。276.2D/A（数/模)转换器6.2.3典型的D/A转换器芯片转换方式：串行与并行工艺：双极性与MOS精度：8位，10位，12位输出形式：电压与电流6.2.3典型D/A转换器DAC0832特性：8位电流输出型D/A转换器T型电阻网络差动输出6.2.3典型D/A转换器DAC08321）引脚功能）引脚功能D7D0：输入数据线ILE：输入锁存允许CS#：片选信号 用于把数据写入到输入锁存器用于把数据写入到输入锁存器WR1#：写输入锁存器 WR2#：写DAC寄存器XFER#：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器 上述二个信号用于启动转换上述二个信号用于启动转换VREF：参考电压，-10

11、V+10V，一般为+5V或+10VIOUT1、IOUT2：D/A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AGND、DGND：模拟地和数字地 2）工作方式单缓冲方式使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通。CPU只需一次写入即起先转换。限制比较简洁。双缓冲方式（标准方式）转换要有两个步骤：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DAC寄存器WR2#=0、XFER#=0 优点：数据接收与D/A转换可异步进行；可实现多个DAC同步转换输出分时写入、同步转换直通方式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更。不能干脆与数

12、据总线连接，需外加并行接口(如74LS373、8255等)。6.2.3典型D/A转换器DAC1210-12位DAC336.2D/A（数/模)转换器D/A转换器与微处理器的接口 1）8位D/A转换器与CPU的典型连接 34双缓冲方式双缓冲方式同步转换举例同步转换举例译码器译码器双缓冲方式的程序段示例本例中三个端口地址的用途：port1 选择选择0832-1的输入寄存器的输入寄存器 port2 选择选择0832-2的输入寄存器的输入寄存器 port3 选择选择0832-1和和0832-2的的DAC寄存器寄存器MOV AL，data ;要转换的数据送ALMOV DX，port1 ;0832-1的输入

13、寄存器地址送DXOUT DX，AL ;数据送0832-1的输入寄存器MOV DX，port2 ;0832-2输入寄存器地址送DXOUT DX，AL ;数据送0832-2的输入寄存器MOV DX，port3 ;DAC寄存器端口地址送DXOUT DX，AL ;数据送DAC寄存器，并启动同步转换HLT362）12位D/A转换器与CPU的典型连接3712位D/A转换器与CPU8088的典型连接 DAC 1210与8位微处理器的连接 383）光隔离D/A转换器与CPU的典型连接光电隔离型8位6路D/A模板 D/A转换器的应用函数发生器只要往D/A转换器写入按规律变更的数据，即可在输出端获得正弦波、三角波

14、、锯齿波、方波、阶梯波、梯形波等函数波形。直流电机的转速限制用不同的数值产生不同的电压，限制电机的转速其他须要用电压/电流来进行限制的场合 406.3A/D（模/数)转换器 将连续变更的模拟信号转换为数字信号，以便于计算机进行处理。6.3.1A/D转换器工作原理6.3.2A/D转换器的主要技术性能6.3.3典型的A/D转换器芯片6.3.4A/D转换器与CPU的接口6.3.5V/F（电压/频率）转换器416.3A/D（模/数)转换器依据A/D转换原理和特点的不同，可把ADC分成两大类：干脆ADC和间接ADC。干脆ADC是将模拟电压干脆转换成数字量，常用的有：逐次靠近式ADC、计数式ADC、并行转

15、换式ADC等。间接ADC是将模拟电压先转换成中间量，如脉冲周期T、脉冲频率f、脉冲宽度等，再将中间量变成数字量。常见的有：单积分式ADC、双积分式ADC，V/F转换式ADC等。各种ADC的优缺点计数式ADC：最简洁，但转换速度最慢。并行转换式ADC：速度最快，但成本最高。逐次靠近式ADC：转换速度和精度都比较高，且比较简洁，价格低，所以在微型机应用系统中最常用。双积分式ADC：转换精度高，抗干扰实力强，但转换速度慢，一般应用在精度高而速度不高的场合，如测量仪表。V/F转换式ADC：在转换线性度、精度、抗干扰实力等方面有独特的优点，且接口简洁、占用计算机资源少，缺点也是转换速度慢。在一些输出信号

16、动态范围较大或传输距离较远的低速过程的模拟输入通道中应用较为广泛。43 6.3A/D（模/数)转换器A/D转换器工作原理1）双积分型A/D的工作原理 Vi=-Vref*Ti/To 44 6.3A/D（模/数)转换器6.3.1A/D转换器工作原理1）逐次靠近式A/D的工作原理 由D/A转换器、比较器和逐次靠近寄存器SAR组成45 6.3A/D（模/数)转换器6.3.2A/D转换器的主要技术性能精度 量化间隔(辨别率)=Vmax/满量程值例：某8位ADC的满量程电压为5V，则其辨别率为 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

17、成的误差。(字长越长，精度越高)确定量化误差=量化间隔/2=(满量程电压/(2n-1)/2相对量化误差=1/2*1/量化电平数目*100%例：满量程电压=10V，A/D变换器位数=10位，则 确定量化误差 10/211=4.88mV 相对量化误差 1/211*100%=0.049%主要技术指标（续）温度范围：民用0-70度；军用-55-125度量程：0-5V，0-10V，0-20V -5-5V，-10-10V转换时间转换一次须要的时间。精度越高（字长越长），转换速度越慢。47 6.3A/D（模/数)转换器6.3.3典型的A/D转换器芯片1）ADC08098通道（8路）输入8位字长 逐位靠近型转

18、换时间100s 内置三态输出缓冲器（可干脆接到数据总线上）引脚功能 引脚功能 D7D0：输出数据线（三态）IN0IN7：8通道（路）模拟输入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道选择）ALE：通道地址锁存START：启动转换EOC：转换结束，可用于查询或作为中断申请OE：输出允许（打开输出三态门）CLK：时钟输入（10KHz1.2MHz）VREF(+)、VREF(-)：基准参考电压ADC 0809内部结构 模拟输入+变换器+参考电源+输出缓冲器工作时序 ADC0809的工作过程依据时序图，ADC0809的工作过程如下：把通道地址送到ADDAADDC上，选择一个模拟输入端；在通道地址信号有

19、效期间，ALE上的上升沿使该地址锁存到内部地址锁存器；START引脚上的下降沿启动A/D变换；变换起先后，EOC引脚呈现低电平，EOC重新变为高电平常表示转换结束；OE信号打开输出锁存器的三态门送出结果。53 6.3A/D（模/数)转换器A/D转换器与CPU的接口1）典型的A/D转换器与CPU接口 54 6.3A/D（模/数)转换器A/D转换器与CPU的接口2）ADC 0809与CPU的接口 55进行一次进行一次A/D转换的程序转换的程序(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

20、;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:MOV DX,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MOV DX,oe_portINAL,DX ;读入结果读入结果56 6.3A/D（模/数)转换器V/F（电压/频率）转换器 模拟电压-正比于-频率脉冲光电隔离-抗电干扰线性好抗工频干扰。-略576.4多路转换器6.4.1多路转换器的作用和要求6.4.2几种常用的多路开关集成电路芯片6.4.3多路开关的主要技术参数586.5采样保持器6.5.1采样保持器的工作原理6.5.2常用的采样保持器集成芯片3966.5.3采样保持电路的主要技术参数含义596.6数据采集系统(DAS)模拟量输入通道的技术要求PCADC模拟量输入模块简介6.6.3高集成度的数据采集系统(DAS)606.7采样定理61作业：T6-1，6-2T6-4，6-5T6-9，6-10T6-12，