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1、第8章 模拟量的输入输出,主要内容,模拟量输入输出通道的组成D/A转换器原理及连接使用方法A/D转换器原理及连接使用方法,模拟量I/O接口的作用：实际工业生产环境连续变化的模拟量 如电压、电流、压力、温度、位移、流量 计算机内部离散的数字量二进制数、十进制数工业生产过程的闭环控制,概述,模拟量,计算机,D/A,传感器,执行元件,A/D,数字量,数字量,模拟量,模拟量输入(数据采集),模拟量输出(过程控制), 8.1 模拟量I/O通道的组成,模拟接口电路的任务,模拟电路的任务,00101101,10101100,工业生产过程,传感器,放大滤波,多路转换&采样保持,A/D转换,放大驱动,D/A转换
2、,输出接口,微型计算机,执行机构,输入接口,物理量变换,信号处理,信号变换,I/O接口,输入通道,输出通道,8.1.1 模拟量的输入通道,传感器（Transducer）非电量电压、电流 变送器（Transformer）转换成标准的电信号信号处理（Signal Processing）放大、整形、滤波 多路转换开关（Multiplexer） 多选一采样保持电路（Sample Holder，S/H）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,8.1.2 模拟量的输出通道,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提
3、供足够的驱动电压，电流, 8.2 数/模（D/A）变换器,D/A变换器的基本原理及技术指标典型的D/A转换器芯片及其与系统的连接, 8.2.1 D/A变换器的基本原理及技术指标,组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器 电阻网络分为：权电阻网络、R-2R梯形电阻网络基本结构图：,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：其中：Rf为反馈电阻，R 为输入电阻,D/A变换原理,若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入电压Vi的关系：其中： Ri 为第i支路的输 入电阻,D/A变换原理,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
4、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Si=1,该项对VO有贡献若Si=0,该项对VO无贡献,与上式相对应的电路如下(图中n=8)：,D/A变换原理,D/A变换原理,如果用8位二进制代码来控制图中的S1S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，那么根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。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。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)。,R-2R梯形电阻网络,D/
5、A转换器的主要技术指标,分辨率（Resolution）转换精度（误差）转换时间,分辨率（Resolution）,输入的二进制数每1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。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5V的10位DAC，1 LSB的变化将使输出变化 5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV,转换精度（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(LSB-Least Significant Bit, FSR-Full Scale Range)也可用满量程的百分比来度量如0.05% FSR,从开始转换到与
6、满量程值相差1/2 LSB所对应的模拟量所需要的时间,转换时间, 8.2.2 典型D/A转换器芯片及其与系统的连接,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,DAC0832内部结构,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、D
7、GND：模拟地和数字地,工作时序,D/A转换分为两个阶段：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。,写输入寄存器,写DAC寄存器,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。双缓冲方式（标准方式）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 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。,CPU只需一次写入即开始转换，控制比较简单。,数据接收与D/A转换可异步进行；可实现多个DAC同步
8、转换输出分时写入、同步转换,不能直接与数据总线连接，需外加并行接口(如74LS373、8255等)。,双缓冲方式同步转换举例,A10-A0,译码器,0832-1,0832-2,port1,port2,port3,三个端口地址的用途：port1 选择0832-1的输入寄存器port2 选择0832-2的输入寄存器port3 选择0832-1和0832-2的DAC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
9、 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HLT,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、梯形波等函数波形。直流电机的转速控制。 例子参见p354-p356。, 8.3 模/数（A/D）转换器,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。 如：声音转换成数字信号。类型：计数型A/D变换器双积分型A/D变换器逐次逼近型A/D变换器, 8.3.1 A/D
10、转换器的工作原理及技术指标,逐次逼近型A/D转换器结构：D/A转换器、比较器、逐次逼近寄存器SAR,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。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）。具体过程：ADC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；每次SAR中的数据经D/A转换为电压VC ；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；从高到低逐次比较下去，直到SAR的每一位都尝试完；SAR内的数据就是与Vi相对应的2进制数。
11、,主要技术指标,精度 转换时间输入动态范围,精度,量化间隔(分辨率)= Vmax/电平数(即满量程值)如：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/量化电平数目 * 100%如：满量程电压=10V，A/D变换器位数=10绝对量化误差 10/211 = 4.88mV相对量化误差 1/211 *100% = 0.049%,转换时间,转换一次需要的时间。
12、精度越高（字长越长），转换速度越慢。,输入动态范围,允许转换的电压的范围。如05V、-5V+5V、 010V等。,典型的A/D转换器简介,ADC0809特性：8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（可直接接到数据总线上）,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,ADC0809内部结构
13、,工作时序,ADC0809的工作过程,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 。,ADC0809与系统的连接,模拟输入端INi地址线ADDA-ADDC数据输出线D0-D7地址锁存信号ALE和启动转换信号START转换结束EOC,模拟输入端INi,单路输入模拟信号可连接到任何一个输入端；地址线可根据输入固定连接；也可以由CPU给一个固定地址。多路输入模拟信号按顺
14、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,ADDCADDBADDA,IN4,ADC0809,输入,多路输入时,ADDCADDBADDA,IN0IN1IN2IN3IN4,ADC0809,输入0输入1输入2输入3输入4,CPU指定通道号,+5V,地址线ADDA-ADDC,多路输入时，地址线不能固定连接到5V或地线，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ADC0809,数据输出线D0-
15、D7,内部已接有三态门，可直接连到DB上也可另外通过一个外部三态门与DB相连上述两种方法均需占用一个I/O地址,地址锁存信号ALE和启动转换信号START,分别连接：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)，参见教材p362图。,转换结束EOC,软件延时等待不用EOC信号CPU效率最低，只能按最大转换时间延时简单，容易实现软件查询EOC状态EOC通过一个三态门连到数据总线的D0(或D1、D2等)三态门要占用一个I/O端口地址CPU效率低把EOC作
16、为中断申请信号，向CPU申请中断在中断服务程序中读入转换结果，效率高,ADC0809举例,D0,IN0,A15-A0,D7-D0,D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA,译码器,ADC0809,IOR#,IOW#,用延时等待的方法进行一次A/D转换,MOV DX, start_portOUT DX, AL ;启动转换CALL DELAY_1MS ;延时1msMOV DX, oe_portIN AL, DX ;读入结果,用查询EOC状态的方法进行一次A/D转换,MOVDX, start_portOUTDX, AL ;启动转换LL: MOVDX, eoc_portINAL, DX ;读入EOC状态ANDAL, 01H ;测试第0位(EOC状态位)JZLL ;未转换完，则循环检测MOVDX, oe_portINAL, DX ;读入结果,进一步应考虑的问题,多个模拟通道时，程序怎样编写？ADC位数大于8位应怎样处理？用8255时程序应怎样编写？,
