第6章(4学时)模拟量输入输出.ppt
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1、1第第6章章模拟量接口模拟量接口教学重点:nD/A、A/D转换器的工作原理 n DAC 0832及其与主机的连接n ADC 0809及其与主机的连接2目录n6.1 6.1 模拟量与数字量模拟量与数字量n6.2 D/A6.2 D/A转换器转换器n6.2.1 D/A6.2.1 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n6.2.2 DAC08326.2.2 DAC0832芯片芯片n6.2.3 DAC6.2.3 DAC芯片与主机的连接芯片与主机的连接n6.2.4 DAC6.2.4 DAC芯片的应用芯片的应用n6.3 A/D6.3 A/D转换器转换器n6.3.1 A/D6.3.1 A/
2、D转换的基本原理转换的基本原理n6.3.2 A/D6.3.2 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标n6.3.3 ADC08096.3.3 ADC0809芯片芯片n6.3.4 ADC6.3.4 ADC芯片与主机的连接芯片与主机的连接n6.3.5 ADC6.3.5 ADC芯片的应用芯片的应用36.1 模拟量与数字量n模拟量模拟量连续变化的物理量连续变化的物理量n数字量数字量时间和数值上都离散的量时间和数值上都离散的量模拟模拟/数字转换器数字转换器ADCDAC数字数字/模拟转换器模拟转换器4模拟量I/O接口的作用n实际工业生产环境连续变化的模拟n例如:电压、电流、压力、温度、位移、流量n计
3、算机内部离散的数字量n二进制数、十进制数n工业生产过程的闭环控制模拟量模拟量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56.1 模拟输入输出系统数字信号数字信号模拟信号模拟信号现场信号现场信号1现场信号现场信号2现场信号现场信号n微型微型计算机计算机放大器放大器放大器放大器放大器放大器多多路路开开关关低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传感器A/D转换器转换器采样保持器采样保持器数字信号数字信号受控对象受控对象控制信号控制信号模
4、拟信号模拟信号D/A转换器转换器放大驱动电路放大驱动电路传感器传感器将各种现场的物理量测量出来将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号(模拟电压或电流)并转换成电信号(模拟电压或电流)放大器放大器把传感器输出的信号放大到把传感器输出的信号放大到ADC所需所需的量程范围的量程范围低通滤波器低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰,用于降低噪声、滤去高频干扰,以增加信噪比以增加信噪比多路开关多路开关把多个现场信号分时地接通到把多个现场信号分时地接通到A/D转换器转换器采样保持器采样保持器周期性地采样连续信号,周期性地采样连续信号,并在并在A/D转换期间保持不变转换期间保持不变66.2 D/A转换器DA
5、C数字数字/模拟转换器模拟转换器模拟量模拟量数字量数字量7nD/A变换器的基本工作原理变换器的基本工作原理n组成:组成:模拟开关、模拟开关、电阻网络电阻网络、运算放大器、运算放大器n两两种种电电阻阻网网络络:权权电电阻阻网网络络、R-2R梯梯形形电电阻阻网络网络n基本结构如图:基本结构如图:6.2.1D/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8D/A变换原理 n运运放放的的放放大大倍倍数数足足够够大大时时,输输出出电电压压Vo与与输输入电压入电压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9n若输入端有n个支路,则输出电压Vo与输入电压
6、Vi的关系为:式中:式中:Ri 为第为第i支路的支路的输入电阻输入电阻D/A变换原理 10n令每个支路的输入电阻为2iRf,并令Vin为一基准电压Vref,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D/A变换原理 11n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):n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D/A变换原理 12n如果用8位二进制代码来控制图中的S0S7(Di=1时Si闭合;Di=0时Si断开),那么根
7、据二进制代码的不同,输出电压VO也不同,这就构成了8位的D/A转换器。n可以看出,当代码在0FFH之间变化时,VO相应地在0-(255/256)Vref之间变化。n为控制电阻网络各支路电阻值的精度,实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络,它只用两种阻值的电阻(R和2R)。D/A变换原理 13R-2R梯形电阻网络14D/A转换器的主要技术指标n分辨率(分辨率(Resolution)nDAC所所能能分分辨辨的的最最小小电电压压增增量量,反反映映DAC对对微微小小输入量变化的敏感性。输入量变化的敏感性。n分分辨辨率率的的高高低低通通常常用用二二进进制制输输入入量量的的位位数数来来表表示示,例如分
8、辨率是例如分辨率是8位、位、10位、位、12位等;位等;n对对一一个个分分辨辨率率为为n位位的的DAC,能能够够分分辨辨满满刻刻度度的的的的2-n输入信号输入信号15D/A转换器的主要技术指标n转换精度(误差,转换精度(误差,Error)n绝对精度绝对精度n对对应应于于给给定定的的满满刻刻度度数数字字量量,D/A实实际际输输出出与与理理论论值值之之间的误差。一般应低于间的误差。一般应低于1/2LSB。n相对精度相对精度n在在满满刻刻度度已已校校准准的的情情况况下下,在在整整个个刻刻度度范范围围内内对对应应于于任任一数码的模拟量输出与理论值之差。一数码的模拟量输出与理论值之差。n对于线性对于线性
9、DAC,相对精度就是非线性度。,相对精度就是非线性度。n偏差用最小量化阶偏差用最小量化阶 来度量,如来度量,如1/2LSBn偏差用相对满刻度的百分比来度量,如偏差用相对满刻度的百分比来度量,如0.05%FSRLSB:LeastSignificantBitFSR:FullScaleRange16D/A转换器的主要技术指标n稳定时间稳定时间DAC加上满刻度的变化时(全0变为全1),其输出达到稳定所需时间n转换时间转换时间DAC的输入数字量有满刻度值的变化时,其输出模拟信号电压达到满刻度值1/2 LSB(最低有效位)时所需要的时间。17D/A转换器的主要技术指标线性误差线性误差相邻两个数字输入量之间
10、的差应是1 LSB,即理想的转换特性应是线性的。在满刻度范围内,偏离理想的转换特性的最大值称为线性误差。18D/A转换器的主要技术指标输出电平输出电平 不同型号的D/A转换器件的输出电平相差较大。一般为5V10V,有的高压输出型的输出电平则高达24V30V。温度系数温度系数在规定的范围内,相应于每变化1C,增益、线性度、零点及偏移等参数的变化量。196.2.2 DAC0832芯片n单电源:单电源:+5V+15VnVref:-10V+10Vn低功耗:低功耗:20mWn分辨率:分辨率:8位位n线性误差:线性误差:0.2%(FSR)n非线性误差:非线性误差:0.4%(FSR)n建立时间:建立时间:1
11、 sn温度系数:温度系数:0.002%FSR/n输出方式:输出方式:电流电流Iout1Iout2常数常数20DAC0832逻辑结构框图211.DAC0832的数字接口n8位数字输入端位数字输入端nDI0DI7(DI0为最低位)为最低位)n输入寄存器(输入寄存器(第第1级锁存级锁存)的控制端)的控制端nILE、CS*、WR1*nDAC寄存器(寄存器(第第2级锁存级锁存)的控制端)的控制端nXFER*、WR2*22直通锁存器的工作方式两级缓冲寄存器都是直通锁存器两级缓冲寄存器都是直通锁存器nLE*1,直通(输出等于输入),直通(输出等于输入)nLE*0,锁存(输出保持不变),锁存(输出保持不变)2
12、3DAC0832的工作方式:直通方式nLE1LE21n输入的数字数据直接进入输入的数字数据直接进入D/A转换器转换器LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout124DAC0832的工作方式:单缓冲方式nLE11,或者,或者LE21n两个寄存器之一始终处于直通状态两个寄存器之一始终处于直通状态n另一个寄存器处于受控状态(缓冲状态)另一个寄存器处于受控状态(缓冲状态)LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout125DAC0832的工作方式:双缓冲方式n两个寄存器都处于受控(缓冲)
13、状态两个寄存器都处于受控(缓冲)状态n能能够够对对一一个个数数据据进进行行D/A转转换换的的同同时时;输输入入另另一个数据一个数据LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1262.DAC0832的模拟输出nIout1、Iout2电流输出端电流输出端nRfb反馈电阻引出端(电阻在芯片内)反馈电阻引出端(电阻在芯片内)nVREF参考电压输入端参考电压输入端n10V10VnAGND模拟信号地模拟信号地nVCC电源电压输入端电源电压输入端n5V15VnDGND数字信号地数字信号地27单极性电压输出VoutIout1Rfb(D/28)VREF
14、28单极性电压输出:例子设设VREF5VnDFFH255时,最大输出电压:时,最大输出电压:Vmax(255/256)5V4.98VnD00H时,最小输出电压:时,最小输出电压:Vmin(0/256)5V0VnD01H时,一个最低有效位(时,一个最低有效位(LSB)电压:)电压:VLSB(1/256)5V0.02VVout(D/2n)VREF293.地线的连接DGNDAGND模拟电路模拟电路数字电路数字电路ADCDAC模拟电路模拟电路数字电路数字电路模拟地模拟地模拟地模拟地数字地数字地数字地数字地公共接地点公共接地点公共接地点公共接地点306.2.3 DAC芯片与主机的连接nDAC芯芯片片相相
15、当当于于一一个个“输输出出设设备备”,至至少需要一级锁存器作为接口电路少需要一级锁存器作为接口电路n考考虑虑到到有有些些DAC芯芯片片的的数数据据位位数数大大于于主主机数据总线宽度,所以分成两种情况:机数据总线宽度,所以分成两种情况:1.主机位数等于或大于主机位数等于或大于DAC芯片位数芯片位数2.主机位数小于主机位数小于DAC芯片位数芯片位数311.主机位数大于或等于DAC芯片的连接32DAC0832:单缓冲方式moval,bufmovdx,portdoutdx,al332.主机位数小于DAC芯片的连接n数字数据需要多次输出数字数据需要多次输出n接接口口电电路路也也需需要要多多个个(级级)锁
16、锁存存器器保保存存多次输出的数据多次输出的数据n并并需需要要同同时时将将完完整整的的数数字字量量提提供供给给DAC转换器转换器CPUCPUDACDAC8位位12位位34两级锁存电路模拟输出模拟输出12位位DAC第第2级级12位锁存控制位锁存控制第第1级低级低8位锁存控制位锁存控制第第1级高级高4位锁存控制位锁存控制D0D74位位锁存器锁存器4位位锁存器锁存器8位位锁存器锁存器8位位锁存器锁存器由同一个信号控制由同一个信号控制关键的一级锁存关键的一级锁存无需输出数据无需输出数据35简化的两级锁存电路模拟输出模拟输出12位位DAC第第2级级12位锁存控制位锁存控制第第1级低级低8位锁存控制位锁存控
17、制D0D74位位锁存器锁存器8位位锁存器锁存器8位位锁存器锁存器由同一个信号控制由同一个信号控制关键的一级锁存关键的一级锁存需要输出高需要输出高4位数据位数据movdx,port1moval,bloutdx,almovdx,port2moval,bhoutdx,al36n函数发生器函数发生器n只只要要往往D/A转转换换器器写写入入按按规规律律变变化化的的数数据据,即即可可在在输输出出端端获获得得正正弦弦波波、三三角角波波、锯锯齿齿波波、方方波波、阶梯波、梯形波等函数波形。阶梯波、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n用不同的数值产生不同的电压,控制电机的转速用不同的数值产生
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- 学时 模拟 输入输出
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