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1、微机原理及应用第8章 模拟量的输入输出,主 讲：肖 洁,Tel:3301352Email:,一.模拟量与数字量,模拟/数字转换器ADC,DAC数字/模拟转换器,模拟量,连续变化的物理量,数字量,时间和数值上都离散的量,二.模拟输入输出系统(1),传感器:测量各种现场的物理量,并转换成电信号（模拟电压或电流）,放大器:放大传感器输出的信号到ADC所需的量程范围,低通滤波器:降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比,多路开关:把多个现场信号分时地接通到A/D转换器,采样保持器:周期性地采样连续信号，并在A/D转换期间保持不变,模拟接口电路的任务,模拟电路的任务,00101101,10101100,工业
2、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,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,二.模拟输入输出系统(2),8.2 数/模转换器（DAC）,DAC数字/模拟转换器,模拟量,连续变化的物理量,数字量,时间和数值上都离散的量,按权相加,数字量 模拟量,一.D/A转换的基本原理,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：,一.D/A转换的基本原理,运放的放大倍数足够大时，VO与Vin的关系：Rf 反馈电阻R 输入电阻,若输入端有n个支路
3、,Ri：第i支路的输 入电阻 电阻值为2iRf,如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,若Si=1,该项对VO有贡献若Si=0,该项对VO无贡献,相对应的电路(图中n=8)：,权电阻网络,用8位二进制代码控制S1S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)根据二进制代码的不同，输出电压VO也不同。构成了8位的D/A转换器,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【只用两种阻值的电阻(R和2R)】,2.D/A转换器的原理图（1）,VaVREFVb
4、VREF/2VcVREF/4VdVREF/8,I0Vd/2RVREF/（82R）I1Vd/2RVREF/（42R）I2Vd/2RVREF/（22R）I3Vd/2RVREF/（12R）,Iout1I0I1I2I3,RfbR,VoutIout1Rfb,2.D/A转换器的原理（2）,Iout1I0I1I2I3 VREF/2R（1/81/41/21）,Vout Iout1Rfb VREF（20212223）/24,Vout（D/2n）VREF,二.D/A转换器的参数指标,1）分辨率（Resolution）（1）定义：输入的二进制数每1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度（2）表示：用输入数字量的位数
5、（8位、10位）（3）例如：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,所能分辨的最小电压增量,敏感性,2）转换精度（误差）,（1）定义：实际输出值与理论值之间的最大偏差（2）包括：非线性误差、比例系数误差，漂移误差，等综合误差（3）表示：最小量化阶（如1/2 LSB）Least Significant Bit 满量程的百分比（如0.05%FSR）Full Scale Range3）线性度理想D/A转换时，若数据连续转换，则输出的模拟量应该是线性的非线性误差：理想的输入输出特性的偏差与满刻度输入之比的百分数线性度
6、：非线性误差的大小,4）输出电平：一般为5V10V，高压输出型：24V30V5）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 温度系数，电源抑制比，馈送误差等,三.DAC0832,1.内部结构,8位电流输出型通用芯片,ILE：输入锁存允许CS：片选信号（低）WR1：写输入锁存器（低）功能：数据写入输入锁存器,WR2：写DAC寄存器（低）XFER：允许输入锁存器的 数据传送到DAC寄存器功能：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AGN
7、D、DGND：模拟地和数字地,2.DAC0832的工作方式：直通锁存器,LE1，直通（输出等于输入）LE0，锁存（输出保持不变）,1）DAC0832的工作方式：直通方式,LE1LE21输入的数字数据直接进入D/A转换器,2）DAC0832的工作方式：单缓冲方式,LE11，或LE21两个寄存器之一始终处于直通状态另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）,3）DAC0832的工作方式：双缓冲方式,两个寄存器都处于受控（缓冲）状态够对一个数据进行D/A转换的同时，输入另一个数据,3.电压输出,1）单极性VoutIout1Rfb（D/28）VREF,5V,DFFH255时，,D00H=00H时，,一个最低
8、有效位（LSB）电压,Vmax（255/256）5V4.98V,Vmin（0/256）5V0V,D01H时，,VLSB（1/256）5V0.02V,DFFH255时，Vmax（255128）/1285V4.96VD00H时，Vmin（0128）/1285V5VD81H129时，一个最低有效位电压：VLSB（129128/1285V0.04V,2)双极性电压输出,R2R32R1,5V,Vout（D27）/27）VREF,4.输出精度的调整,5.地线的连接,6.DAC芯片与主机的连接,DAC芯片相当于一个“输出设备”，至少需要一级锁存器作为接口电路两种情况：1.主机位数等于或大于DAC芯片位数2.
9、主机位数小于DAC芯片位数,1.主机位数=DAC芯片位数,MOV AL,BUFMOV DX,PORTDOUT DX,AL,DAC0832单缓冲方式,2.主机位数 DAC芯片位数,数字数据需要多次输出接口电路 需要多个（级）锁存器 需要同时将完整的数字量提供给DAC转换器,1）两级锁存电路,简化的两级锁存电路,mov al,blmov dx,port1out dx,almov dx,port2mov al,bhout dx,al,0832芯片的应用,1.输出正向锯齿波,mov dx,portd mov al,0repeat:out dx,al inc al jmp repeat,双缓冲方式同步转
10、换举例,Port1：0832-1的输入寄存器,Port2：0832-2的输入寄存器,Port3：0832-1/2的DAC寄存器,程序：,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HLT,8.3 A/D转换器,模拟量,数字量,一、A/D转换的基本原理,4种常用的转换技术 计数器
11、式 逐次逼近式 双积分式 并行式,1.计数器式：,以最低位为增量单位的逐步计数法,特点：速度慢,2.逐次逼近式：,从最高位开始的逐位试探法,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例：用8个砝码20g，21g，27g，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从高到低逐次给SAR的每一位“置1”（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
12、是与Vi相对应的2进制数,特点：转换精度高，速度快,3.双积分式,两个积分阶段实质：电压/时间变换,精度 1）量化间隔(分辨率)=Vmax/电平数(满量程值)8位ADC的满量程电压为5V，分辨率 5V/255=19.6mV 2）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)3）绝对量化误差=量化间隔/2=【满量程电压/(2n-1)】/24）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：绝对量化误差 10/211=4.88mV 相对量化误差 1/211 100%=0.
13、049%,二、主要技术指标,2.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。3.输入动态范围：允许转换的电压的范围。如05V、010V等,三、ADC0809芯片,具有A/D转换的基本功能 CMOS工艺制作 8位逐次逼近式ADC 转换时间为100 s包含扩展部件 多路开关 三态锁存缓冲器,1.ADC0809的结构和引脚,1）内部结构,2）引脚,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，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
14、钟输入（10KHz1.2MHz）VREF(+)、VREF(-)：基准参考电压,ADC0809的工作过程,把通道地址送到ADDAADDC上，选择模拟输入；ALE上的上升沿锁存通道地址信号到内部地址锁存器；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,3.ADC0809的数字输出,当输出允许信号OE1时，将三态锁存缓冲器的数字量从D0D7输出,4.ADC0809芯片与主机的连接,ADC芯片 相当于“输入设备”需要接口电路提供数据缓冲器主机 控制转换的启动 获知转换是否结束，输入数据,ADC080
15、9与系统的连接,1）模拟输入端INi（1）单路输入 模拟信号：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)（2）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，将其编号送到地址线上(动态选择）,ADC0809与系统的连接,2）地址线ADDA-ADDC 多路输入时通过接口芯片与数据总线连接 锁存器：74LS273，74LS373（要占用一个I/O地址）8255（要占用四个I/O地址）OUT：通道地址通过接口芯片送给0809,ADC0809与系统的连接,3）数据输出线D0-D7 可直接连到DB上 可通过一个输入接口与DB相连,ADC0809与系统的连接,
16、4）地址锁存ALE和启动转换START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),5.A/D转换的启动（1）,两种启动信号（1）脉冲信号启动转换（2）电平信号启动转换,5.A/D转换的启动（2）,主机产生启动信号的方法1）编程启动软件上，执行一个输出指令硬件上，利用输出指令产生ADC启动脉冲2）定时启动启动信号来自定时器输出,ADC0809与系统的连接,6.转换结束EOC 软件延时等待(如延时1ms)CPU效率最低 软件查询EOC状态E
17、OC通过一个三态门连到数据总线的D0(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,7.连接实例（1）,ADC0809程序(1),用延时等待的方法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 MOV DX,start_port OUT DX,AL;启动转换LL:MOV DX,eoc_port IN AL,DX;读入EOC状态 AND AL,01H;测试第0位(EOC状态
18、位)JZ LL;未转换完，则循环检测 MOV DX,oe_port IN AL,DX;读入结果,7.连接实例（2）,编程启动、转换结束中断处理,7.连接实例（2）,;数据段 adtemp db 0；给定一个临时变量;代码段；设置中断向量等工作sti；开中断mov dx,220hout dx,al；启动A/D转换；其他工作,中断服务程序,adintprocsti;开中断push ax;保护寄存器push dxpush dsmov ax,data;设置数据段DSmov ds,axmov dx,220hin al,dx;读A/D转换的数字量mov adtemp,al;送入缓冲区 mov al,20h
19、;发送EOI命令out 220h,alpop ds;恢复寄存器pop dxpop axiret;中断返回adintendp,7.连接实例（3）,编程启动、转换结束查询处理,8通道模拟输入（05V）,启动转换程序,;数据段 counter equ 8 buf db counter dup(0);数据缓冲区;代码段 mov bx,offset buf mov cx,counter mov dx,220h;从IN0开始转换start1:out dx,al;启动A/D转换 push dx mov dx,238h;查询是否转换结束,查询读取程序,start2:in al,dx;读入状态信息 test al,80h;D71，转换结束否?jz start2;没有结束，继续查询 pop dx;转换结束 in al,dx;读取数据 mov bx,al;存入缓冲区 inc bx inc dx loop start1;转向下一个模拟通道,转换结束延时,2.ADC0809的转换时序,最小启动脉宽,转换时间,
