第8章模拟量的输入输出.ppt

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1、第第8章章 模拟量的输入输出模拟量的输入输出本章内容本章内容模拟量输入输出通道的组成模拟量输入输出通道的组成D/A转换器转换器原理、连接及编程原理、连接及编程A/D转换器转换器原理、连接及编程原理、连接及编程 模拟量模拟量I/O接口的作用：接口的作用：实际工业生产环境实际工业生产环境连续变化的模拟量连续变化的模拟量 例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量 计算机内部计算机内部离散的数字量离散的数字量二进制数、十进制数二进制数、十进制数工业生产过程的闭环控制工业生产过程的闭环控制 概述概述 模拟量模拟量D/A传感器传感器执行元件执行元件A/D数字量数字量

2、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 8.1 模拟量模拟量I/O通道的组成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传感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模拟量输入通道模拟量输入通道传感器（传感器（

3、Transducer）非电量非电量电压、电流电压、电流 变送器（变送器（Transformer）转换成标准的电信号转换成标准的电信号信号处理（信号处理（Signal Processing）放大、整形、滤波放大、整形、滤波 多路转换开关（多路转换开关（Multiplexer）多选一多选一采样保持电路（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（变换器（A/D Converter）模拟量转换为数字量模拟量转换为数字量 模拟量输出通道模拟量输出通道D/A变换器（变换器（D/A Converter）数字量转换为模拟量数字量转换为模拟量低通

4、滤波低通滤波平滑输出波形平滑输出波形放大驱动放大驱动提供足够的驱动电压，电流提供足够的驱动电压，电流8.2 数数/模（模（D/A）变换器）变换器 8.2.1 D/A变换器的基本原理及技术指标变换器的基本原理及技术指标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、电阻网络、运算放大器组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器 两种电阻网络：权电阻网络、两种电阻网络：权电阻网络、R-2R梯形梯形电阻网络电阻网络基本结构如图：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V

5、O与输入与输入电压电压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 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与输入电与输入电压压Vi的关系为：的关系为：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为一基为一基准电压准电压Vref，则有，则有如果每个支路由一个开关如果每个支路由一个开关Si控制，控制，Si=1表示表示Si合上，合上，Si=0表示表示Si断开，则上式变换为断开，则上式变换为 若若Si=1,该项

6、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2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8与上式相对应的电路如下与上式相对应的电路如下(图中图中n=8)：图中的电阻网络就称为权电阻网络图中的电阻网络就称为权电阻网络如果用如果用8位二进制代码来控制图中的位二进制代码来控制图中的S1S8(Di=1时时Si闭合；闭合；Di=0时时Si断开断开)，那么根，那么根据二进制代码的不同，输出电压据二进制代码的不同，输出电压VO也不同，也不同，这就构成了这就构成了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

7、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。为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际为控制电阻网络各支路电阻值的精度，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(见下见下页页)，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梯形电阻网络梯形电阻网络D/A转换器的主要技术指标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1个最低有效位个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。n一般用输入数字量的位数来表示:如8位、10位例：一个满量程为例：一个满量程为5V的的10位位DAC，1

8、LSB的变化将使输出变化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。n一般用最小量化阶来度量，如1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量，如0.05%FSR(LSB-Least Significant Bit,FSR-Full Scale Range)转换时间转换时间从开始转换到与满量程值相差1/2 LSB所对应的模拟量所需要的时间tV1/2 LSBtCVFULL8.2.2 典型典型D/A转换器转换器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引线图见教材p35

9、1 DAC0832内部结构内部结构引脚功能引脚功能D7D0：输入数据线ILE：输入锁存允许CS#：片选信号WR1#：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上述三个信号用于把数据写入到输入锁存器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，-10V+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 工作时序工作时序D/A转换可分为两个阶段：转换可分为两个阶段：CS#=0、WR

10、1#=0、ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器；，使输入数据锁存到输入寄存器；WR2#=0、XFER#=0，数据传送到，数据传送到DAC寄存器，并开始转换。寄存器，并开始转换。写输入写输入寄存器寄存器写写DAC寄存器寄存器工作方式工作方式单缓冲方式单缓冲方式使输入锁存器或使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通寄存器二者之一处于直通。CPU只需一次写入即开始转换。控制比较简单。见教材p352图。双缓冲方式（标准方式）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

11、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化。不能直接与数据总线连接不能直接与数据总线连接，需外加并行接口(如74LS373、8255等)。双缓冲方式双缓冲方式同步转换举例同步转换举例A10-A0译码器译码器0832-10832-2port1port2port3双缓冲方式的程序段示例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D

12、AC寄存器寄存器MOV AL，data ;要转换的数据送ALMOV DX，port1 ;0832-1的输入寄存器地址送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HLTD/A转换器的应用转换器的应用函数发生器函数发生器只要往只要往D/A转换器写入按规律转换器写入按规律变化的数据，即可在输出端获得正弦波、三变化的数据，即可在输出端获得正弦波、三角波、锯齿波、方波、阶

13、梯波、梯形波等函角波、锯齿波、方波、阶梯波、梯形波等函数波形。数波形。直流电机的转速控制。直流电机的转速控制。例子参见p354p356。8.3 模模/数（数（A/D）转换器）转换器用途用途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。常用于数据采集系统。类型类型计数型A/D变换器双积分型A/D变换器逐位反馈型逐位反馈型A/D变换器变换器 8.3.1 工作原理及技术指标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D/A转换器、比较器和逐次逼近寄存器SAR组成。见P238页图。工作原理工作原理 类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称物体。类似天平称

14、重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称物体。例如：例如：用8个砝码20g，21g，27g，可以称出1255g之 间的物体。现有一物体，用砝码称出其重量（假定重量为176g）。1）ADC从高到低从高到低逐次给SAR的每一位“置1”（即加上不同权重的砝码），SAR相当于放法码的称盘；2）每次SAR中的数据经D/A转换为电压VC；3）VC与输入电压Vi比较，若VCVi，保持当前位的1，否则当前位置0；4）从高到低逐次比较下去，直到SAR的每一位都尝试完；5）SAR内的数据就是与Vi相对应的2进制数。主要技术指标主要技术指标精度精度 量化间隔量化间隔(分辨率分辨率)=Vmax/电平数电平数(即

15、满量程值即满量程值)例：某例：某8位位ADC的满量程电压为的满量程电压为5V，则其分辨率为，则其分辨率为 5V/255=19.6mV 量化误差量化误差:用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量字长有限字长有限而无法精确地表示连续量所造成的误差。而无法精确地表示连续量所造成的误差。(字字长越长，精度越高长越长，精度越高)绝对量化误差绝对量化误差=量化间隔量化间隔/2=(满量程电压满量程电压/(2n-1)/2相对量化误差相对量化误差=1/2*1/量化电平数目量化电平数目*100%例：满量程电压例：满量程电压=10V，A/D变换器位数变换器位数=10位，则位，

16、则 绝对量化误差绝对量化误差 10/211=4.88mV 相对量化误差相对量化误差 1/211*100%=0.049%主要技术指标（续）主要技术指标（续）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），转换一次需要的时间。精度越高（字长越长），转换速度越慢。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。如允许转换的电压的范围。如05V、010V等。等。典型的典型的A/D转换器简介转换器简介ADC08098通道（8路）输入8位字长 逐位逼近型转换时间100s 内置三态输出缓冲器外部引脚见教材p359引脚功能引脚功能 D7D0：输出数据线（三态）：输出数据线（三态）IN0I

17、N7：8通道（路）模拟输入通道（路）模拟输入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道选择）：通道地址（通道选择）ALE：通道地址锁存：通道地址锁存START：启动转换：启动转换EOC：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OE：输出允许（打开输出三态门）：输出允许（打开输出三态门）CLK：时钟输入（：时钟输入（10KHz1.2MHz）VREF(+)、VREF(-)：基准参考电压：基准参考电压ADC0809内部结构内部结构START EOC CLK OED7D0VREF(+)VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比较器比较器8路模路模拟开拟开

18、关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三态输出输出锁存锁存器器时序与控制时序与控制地址地址锁存锁存及及译码译码D/A8个个模模拟拟输输入入通通道道8选选1工作时序工作时序 ADC0809的工作过程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：把通道地址送到ADDAADDC上上，选择模拟输入；在通道地址信号有效期间，ALE上的上升沿上升沿该地址锁存到内部地址锁存器；START引脚上的下降沿下降沿启动A/D变换；变换开始后，EOC引脚呈现低电平，EOC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。ADC0

19、809与系统的连接与系统的连接 模拟输入端模拟输入端INi单路输入单路输入模拟信号可固定连接到任何一个输入端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地址线根据输入线编号固定连接(高电平或低电平高电平或低电平)多路输入多路输入模拟信号按顺序分别连接到输入端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要转换哪一路输入，就将其编号送到地址线上(动态选择动态选择)单路输入时单路输入时ADDCADDBADDAIN4ADC0809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

20、输入3输入输入4CPU指定指定通道号通道号+5V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：与数据总线连接。接口芯片可以选用：锁存器锁存器74LS273，74LS373等（要占用一个等（要占用一个I/O地址）地址）可编程并行接口可编程并行接口8255（要占用四个（要占用四个I/O地址）地址）CPU用一条用一条OUT指令把通道地址通过接口芯片送给指令把通道地址通过接口芯片送给0809ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输输入入DB74LS273Q

21、2Q1Q0CP来自来自I/O译码译码D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#来自来自I/O译码译码D0-D7A1A0A1A0 数据输出线数据输出线D0D7内部已接有三态门，故可直接连到内部已接有三态门，故可直接连到DB上上也可另外通过一个输入接口与也可另外通过一个输入接口与DB相连相连上述两种方法均需占用一个上述两种方法均需占用一个I/O地址地址D0-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译码译码D0-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译码译码直接连直接连DB通过输入接口连通过输入接口连DB74LS244+5VD

22、IDOE1#E2#地址锁存地址锁存ALE和启动转换和启动转换START两种连接方法：两种连接方法：独立连接：用两个信号分别进行控制独立连接：用两个信号分别进行控制需占用两个需占用两个I/O端口或端口或两个两个I/O线线(用用8255时时)；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启动转换只需占用一个只需占用一个I/O端口或一个端口或一个I/O线线(用用8255时时)，参见教材，参见教材p362图。图。ADC0809ALESTART独立连接独立连接来自来自I/O译码译码1来自来自I/O译码译码2ADC0809ALES

23、TART统一连接统一连接来自来自I/O译码译码 转换结束转换结束EOC软件延时等待软件延时等待(比如延时比如延时1ms)不用不用EOC信号信号CPU效率最低效率最低软件查询软件查询EOC状态状态EOC通过一个三态门连到数据总线的通过一个三态门连到数据总线的D0(其他也可以其他也可以)三态门要占用一个三态门要占用一个I/O端口地址端口地址CPU效率低效率低把把EOC作为中断申请信号，接到作为中断申请信号，接到8259的的IR端端在中断服务程序中读入转换结果，效率高在中断服务程序中读入转换结果，效率高D0IN0A15-A0IOR#IOW#D7D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDB

24、ADDA译译码码器器ADC0809一个连接实例一个连接实例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: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;为转换完，则循环检测为转换完，则循环检测MOV DX,oe_portINAL,DX;读入结果读入结果进一步应考虑的问题进一步应考虑的问题多个模拟通道时，程序怎样编写？多个模拟通道时，程序怎样编写？ADC位数大于位数大于8位应怎样处理？位应怎样处理？用用8255时程序应怎样编写？时程序应怎样编写？以上三个问题留作思考题以上三个问题留作思考题