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1、2023/8/7,1,第三章 输入输出接口技术,2023/8/7,2,本章主要内容,模拟量输入接口模拟量输出接口数字量输入输出接口,2023/8/7,3,计算机控制系统通道概述,2023/8/7,4,通常有三类信息：,数据信息,数字量模拟量开关量,状态信息,控制信息,2023/8/7,5,IO通道,模拟量输入通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输出通道,IO通道分为：,2023/8/7,6,第一节 计算机控制系统中通道技术一、前向通道的内容与结构特点 作用：把生产过程中的模拟量信息提供给计算机。,结构类型：书上P45,2023/8/7,7,2023/8/7,8,二、前向通道设计中应考虑的问题
2、,前向通道必须考虑信号拾取、信号调节、A/D转换、电源配置和防止干扰等问题。1信号的拾取方式：通过敏感元件拾取被测信号 2、通过传感器拾取被测信号 传感器测量的输出一般为电压、电流或频率量。,2023/8/7,9,电流输出信号需转化为电压信号后与A/D电路相连。输出频率量传感器精度高、抗干扰能力强，便于远距离传送，它需采用特殊的转换方法才能变为二进制数字量。3、通过测量仪表拾取被测信号 测量仪表采用标准化输出信号，如电压信号为05V、5V、010V、2.5V等范围，而电流信号则为420mA、010 mA等范围，经适当处理后（如I/V变换、滤波）后可直接与A/D电路相连。,2023/8/7,10
3、,2。信号的调节：信号放大与处理 任务：将传感器信号转换成满足A/D电路要求的电平信号。包含小信号放大、滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、压力补偿、误差修正、量程切换等信号处理电路。部分信号处理工作可由计算机软件完成。3模数转换方式的选择 V/F变换方式：将信号电压变换为频率量，由计算机或计数电路计数来实现模拟量转化为数字量。A/D转换电路：,2023/8/7,11,4电源配置 考虑对传感器、不同的信号调节电路中的芯片对电源的要求。模拟输入通道与生产现场联系较紧，而且传感器输出信号较弱，电源配置时要充分考虑干扰的隔离与抑制。5抗干扰措施 在信号的拾取与传送过程中来自生产现场的干扰因素很多，
4、在设计过程中应采用可靠的抗干扰措施，如隔离、滤波等。,2023/8/7,12,第二节前向通道中的信号调节与信号调节器,前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转换的量程范围之内，如0-5VDC;对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大。如图3-5所示，信号源的一端若接放大器的正端为同相放大，同相放大电路的放大倍数G=1+R2/R1；若信号源的一端接放大器的负端为反相放大，反相放大电路的放大倍数G=R2/R1。当然，这两种电路都是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地。,2023/8/7,13,图3-5 放大电路,2023/8/7,14,测量放大
5、器,在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰，而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器，如图所示。经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测量放大器的差动输入端VIN和VIN分别是两个运放A1、A2的同相输入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，因而有着极强的抑制共模干扰能力。,2023/8/7,15,前置放大器,2023/8/7,16,图中RG是外接电阻，专用来调整放大器增益的。因此，放大器的增益G与这个外接电阻RG有着密切的关系。增益公式为 目前这种测量放大器的集成
6、电路芯片有多种，如AD521/522、INA102等。,2023/8/7,17,可变增益放大器,在A/D转换通道中，多路被测信号常常共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放大到A/D转换器的同一量程范围。因此，对应于各路不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器，如图。,2023/8/7,18,可变增益放大器,2023/8/7,19,把图的外接电阻RG换成一组精密的电阻网络，每个电阻支路上有一个开关，通过支路开关依次通断就可改变放大器的增益，根据开关支路上的电阻值与增益公式，就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别
7、为2、4、8、16、32、64、128、256倍。显然，这一组开关如果用多路模拟开关(类似CD4051)就可方便地进行增益可变的计算机数字程序控制。此类集成电路芯片有AD612/614等。,2023/8/7,20,三、隔离放大器特点：具有一般通用运放的特性，信息传递是通过磁路和光路来实现作用：在输入电路和输出电路之间实现电隔离常用器件：Model277、ISO122/124程控增益运算放大器作用：在多通道或多参数的模拟输入通道共用一个测量放大器、一个A/D转换器时，对不同通道或参数改变测量放大器的增益。常用器件：可由测量放大器、模拟开关及电阻网络来实现，也可采用集成程控测量放大器，如PGA20
8、0/201、PGA102、PGA100、AD612/614等,2023/8/7,21,四、多路模拟开关,主要知识点,引言结构原理扩展电路,2023/8/7,22,引言,由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。,2023/8/7,23,目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(双向、单端、8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16路)等。所谓双向，就是
9、该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。,2023/8/7,24,结构原理,现以常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构原理如图所示。CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后级通道断开，即S0S7端与Sm端不可能接通；当为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通8个通道S0S7中的一路。比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；当C、B、A=001时，通道S通；当C、B、A=111时，通道S
10、7选通。其真值表如表3-1所示。,2023/8/7,25,CD4051结构原理图,2023/8/7,26,2023/8/7,27,2 扩展电路,当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，也可以将2个8路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。例题3-1 试用两个CD4051扩展成一个116路的模拟开关。,2023/8/7,28,例题分析：图给出了两个CD4051扩展为116路模拟开关的电路。数据总线D3D0作为通道选择信号，D3用来控制两个多路开关的禁止端。当D3=0时，选中上面的多路开关，此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通S0S7通道；当D3=1时，经反相
11、器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通S8S15通道。如此，组成一个16路的模拟开关。,2023/8/7,29,2023/8/7,30,图 用CD4051多路开关组成的16路模拟开关接线图,2023/8/7,31,五、采样保持器,当某一通道进行A/D转换时，由于A/D 转换需要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差。为了保证A/D转换的精度，需要应用采样保持器。,1、数据采样定理2、采样保持器,2023/8/7,32,1 数据采样定理,离散系统或采样数据系统-把连续变化的量变成离 散量后再进行处理的计算机控制系统。离散系统的采样
12、形式-有周期采样、多阶采样和随机采样。应用最多的是周期采样。,2023/8/7,33,周期采样-就是以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号y(t)，按一定的时间间隔T 转变为在瞬时0，T，2T，的一连串脉冲序列信号 y*(t)，如图所示。,2023/8/7,34,采样器的常用术语：采样器或采样开关-执行采样动作的装置，采样时间或采样宽度-采样开关每次闭合的时间采样周期T-采样开关每次通断的时间间隔 在实际系统中，T，也就是说，可以近似地认为采样信号y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值。,图 信号的采样过程,2023/8/7,35,由经验可知，采样频率越高，采样信号 y*(
13、t)越接近原信号y(t)，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使采样信号y*(t)既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我们可依据香农采样定理。,2023/8/7,36,香农定理指出：为了使采样信号y*(t)能完全复现原信号y(t)，采样频率f 至少要为原信号最高有效频率fmax的2倍，即f 2fmax。采样定理给出了y*(t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样频率。实际应用中，常取f（510）fmax。,2023/8/7,37,采样保持器,1、零阶采样保持器-零阶采样保持器是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时
14、刻。它的组成原理电路与工作波性如图(a)、(b)所示。,2023/8/7,38,采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH等组成。采样期间，开关S闭合，输入电压VIN通过A1对CH快速充电，输出电压VOUT跟随VIN变化；保持期间，开关S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下电容CH将保持电压VC不变，因而输出电压VOUT=VC也保持恒定。,2023/8/7,39,图 采样保持器,2023/8/7,40,显然，保持电容C H的作用十分重要。实际上保持期间的电容保持电压VC在缓慢下降，这是由于保持电容的漏电流所致。保持电压VC的变化率为 式中：ID-为保持期间电容的总泄
15、漏电流，它包括放大器的输入电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。电容CH值-增大电容CH值可以减小电压变化率，但同时又会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大小与采样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下，保持电容CH是外接的，所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高质量的电容器，容量为5101000pF。,2023/8/7,41,2、零阶集成采样保持器常用的零阶集成采样保持器有AD582、LF198/298/398等。这里，用TTL逻辑电平控制采样和保持状态，如AD582的采样电平为“0”，保持电平为“1”，而LF198的则相反。,图39 集成采样保持器,2023/8/7,42,3-3
16、 前向通道中的A/D转换与A/D转换接口,模拟量输入接口（又称为A/D通道）模拟量输入接口的组成多路模拟切换开关前置放大器采样保持器模数转换器（A/D）控制电路等A/D转换器的性能指标类似于D/A转换器,2023/8/7,43,在微机的各种接口中，完成外设信号到微机所需数字信号转换的，称为模拟数字转换（A/D转换）器；完成微机输出数字信号到外设所需信号转换的，称为数字模拟转换（D/A转换）器。D/A转换器（Digital to Analog Converter）是一种能把数字量转换成模拟量的电子器件；A/D转换器（Analog to Digital Converter）则相反，它能把模拟量转换
17、成相应的数字量。在微机控制系统中，经常要用到A/D和D/A转换器。它们的功能及在实时控制系统中的地位，如图所示。,2023/8/7,44,图 单片机和被控实体间的接口示意,返回本章首页,2023/8/7,45,3-3-1 A/D转换器原理,并行A/D转换器n位则需2n-1个比较器，成本高，故只应用于转换速度要求极高的场合计数器式A/D转换器简单、便宜，但每输入一个时钟脉冲，计数器加（或减）1，故要逼近输入值，需输入许多个脉冲，因而转换很慢。,2023/8/7,46,1计数器式A/D转换器,2023/8/7,47,原理：转换器、计数器和比较器组成。工作时，计数器由零开始计数，将其计数值送往DA转
18、换器进行转换，将生成的模拟信号与输入模拟信号在比较器内进行比较，若前者小于后者，则计数值加1，重复DA转换及比较过程。当这个信号值与输出模拟量比较相等时（在允许的误差范围内），比较器输出一个停止计数信号给计数器，计数器立即停止计数。此时DA转换器输出的模拟量就为模拟输入值，计数器的值就是转换成的相应的数字量值。,2023/8/7,48,优点：这种AD转换器结构简单、原理清楚缺点：它的转换速度与精度之间存在着严重矛盾。即若要转换速度高，则转换器输出与输入的误差就大，反之亦然。所以在实际中很少使用它。,2023/8/7,49,3-3-1 双积分式A/D转换器（1）,双积分式A/D转换器特点是一种间
19、接A/D转换技术。模拟电压先转换成积分时间，然后转换成计数脉冲数，最后将代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成BCD码输出。转换时间较长，一般需要几十毫秒。器件少、使用方便、抗干扰能力强、数据稳定、价格便宜，适用于非快速计算机过程控制系统或精度要求较高的地方。,2023/8/7,50,3-3-1 双积分式A/D转换器（2）,双积分式A/D转换器的工作原理先对模拟输入电压Vin进行固定时间t1的正向积分，积分器的输出电压上升的速率与输入电压Vin成正比当固定时间t1到后，计数器清零，对积分器进行反向积分，并自动按一定的频率进行计数。积分器的输出电压，从正向积分结束时的VI开始以恒定的斜率下降，当反向
20、积分使其积分器输出为零时，关闭计数器计数，完成一次A/D转换工作。,2023/8/7,51,缺点：转换时间较长，一般需要几十毫秒。优点：器件少、使用方便、抗干扰能力强、数据稳定、价格便宜，适用于非快速计算机过程控制系统或精度要求较高的地方。,2023/8/7,52,3-3-1 双积分式A/D转换器（3）,双积分式A/D转换器示意图,2023/8/7,53,3-3-1 双积分式A/D转换器（4）,常用双积分式A/D转换器芯片MC14433,2023/8/7,54,3-3-1 逐位逼近法（1）,逐位逼近式A/D的工作原理从SAR输出的数码送至D/A，其输出电压Vf与模拟量输入Vin 比较后，再控制
21、SAR的数字逼近,2023/8/7,55,优点：转换速度快，转换时间固定缺点：抗干扰能力差,2023/8/7,56,例:四位A/D转换器,满刻度值5V,现若输入3.5V模拟电压,试分析其逐次逼近的转换过程.解:量化单位q=5/24=0.3125V1000:0.3125*23=2.5V3.5,保留最高位1以此类推,最后为1011,2023/8/7,57,3-2-1-型A/D转换器（1）,-型A/D利用取样频率为Fs（fs）的一系列粗糙量化数据，由后续的数字抽取器计算出模拟信号所对应的低取样频率fs的高分辩率数字信号。其实现主要基于过程取样、-调制和数字滤波。,2023/8/7,58,3-2-1-
22、型A/D转换器（2）,-型A/D转换芯片AD7715价格便宜、分辨率高，不受噪声环境的影响提供了一个增益为1、2、32、128倍可编程放大器，一个数字滤波器和一套自校准电路所提供的系统功能要比常用的积分型A/D转换器强，而且避免了必须提供一个高质量积分电容的缺点是工业和过程控制应用中的理想器件,2023/8/7,59,（1）分辨率 分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。分辨率为n，表示它可以对满刻度的1/2n的变化量作出反应。即：分辨率=满刻度值/2n 量化误差和分辨率是统一的，提
23、高分辨率，可减少量化误差。,二、A/D转换器的性能指标,2023/8/7,60,2.转换精度 A/D转换器的转换精度是指A/D的实际输出接近于理想输出精确程度。A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量A/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对A/D转换器常用最低有效值的位数LSB（Least Significant Bit)）来表示，1LSB=1 2n。,2023/8/7,61,一般来说，位数n越大，其相对误差（
24、或绝对误差）越小。3.转换时间 A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式A/D 转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。,2023/8/7,62,例：一个12位A/D，输入电压范围5V（1）分辨率？（2）能够辨别的最小电压？解：1）2）50.0244*10-2=0.122*10-2,2023/8/7,63,量化误差：由于用有限二进制数字对模拟数值进行离散取值（量化）而引起的误差，用如下表示：,2023/8/7,64,2023/8/7,65,三、数据的采集与转换的应用问题 孔径误差,2023/8/7,66,例:一个十位的A/D转换器误差百分数0.1%
25、,则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为多少?(16HZ),2023/8/7,67,五、常用 A/D转换器,A/D转换器与CPU的接口方式由它们之间数据传输方式决定并行接口和串行接口接口类型一般有三种，由A/D转换器与CPU之间的联系方式决定查询法定时法中断法,2023/8/7,68,逐位逼近式A/D芯片介绍,逐位逼近式A/D芯片品种很多，可满足各种需要8位A/D转换器芯片12位A/D转换器芯片,2023/8/7,69,1、典型的A/D转换芯片ADC0809,2023/8/7,70,1）8路8位AD转换器，即分辨率8位2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100s4）单个5V电源供电 5）模拟
26、输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mW。,2023/8/7,71,ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。,1.ADC0809的内部逻辑结构,2023/8/7,72,2.引脚结
27、构ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚。其引脚结构如图所示。,图 ADC0809引脚图,2023/8/7,73,引脚结构（1）IN7IN0：8条模拟量输入通道（2）地址输入和控制线：4条（3）数字量输出及控制线：11条（4）电源线及其他：5条,2023/8/7,74,各引脚功能如下：IN0IN7：8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存3位通道选择信号。A、B、C：3位地址线即模拟量通道选择线。ALE为高电平时，地址译码与对应通道选择见表格。START：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转
28、换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。OE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，将A/D转换得到的8位数字量送到数据总线上。D0D7：8位数字量输出。D0为最低位，D7为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。,2023/8/7,75,CLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz时，A/D转换时间为100s。VR+，VR-：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常VR+=5V DC，VR-=0V DC。Vcc：工作电源，5VDC。GND：电源地。,2023/8/7,76,表 被选通道和地址的
29、关系,2023/8/7,77,ADC0809的内部转换时序,图 ADC0809的转换时序,2023/8/7,78,3AD574芯片介绍,AD574A是一种高性能的12位逐位逼近式A/D转换器分辨率为1/212=0.024%转换时间为25s,适合于在高精度快速采样系统中使用内部结构大体与ADC0809类似，由12位A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器与10V基准电压源构成，可以直接与主机数据总线连接，但只能输入一路模拟量AD574A也采用28脚双立直插式封装,2023/8/7,79,图 3-17 AD574A原理框图及引脚,2023/8/7,80,各引脚功能如下：,Vcc：工作电源正端，+
30、12 VDC或+15 VDC。VEE：工作电源负端，12 VDC或15 VDC。VL：逻辑电源端，+5 VDC。虽然使用的工作电源为12VDC或15 VDC，但数字量输出及控制信号的逻辑 电平仍可直接与TTL兼容。DGND，AGND：数字地，模拟地。REF OUT：基准电压源输出端，芯片内部基准电压源为+10.00 V1。REF IN：基准电压源输入端，如果REF OUT通过电阻接至REF IN，则可用来调量程。,2023/8/7,81,：转换结束信号，高电平表示正在转换，低电平表示已转换完毕。DB0-DB11：12位输出数据线，三态输出锁存，可与主机数据线直接相连。CE：片能用信号，输入，高
31、电平有效。：片选信号，输入，低电平有效。R/：读/转换信号，输入，高电平为读A/D转换数据，低电平为起动A/D转换。12/：数据输出方式选择信号，输入，高电平时输出12位数据，低电平时与A0信号配合输出高8位或低4位数据。12/不能用TTL电平控制，必须直接接至+5V(引脚1)或数字地(引脚15)。,2023/8/7,82,A0：字节信号，在转换状态，A0为低电平可使AD574产生12位转换，A0为高电平可使AD574产生8位转换。在读数状态，如果12/为低电平，A0为低电平时，则输出高8位数，而A0为高电平时，则输出低4位数；如果12/为高电平，则A0的状态不起作用。CE、R/、12/、A0
32、各控制信号的组合作用，列于下表:。,注：表示1或0都可以。,2023/8/7,83,2023/8/7,84,10VIN，20VIN，BIP OFF：模拟电压信号输入端。单极性应用时，将BIP OFF接0 V，双极性时接10 V。量程可以是10 V，也可以是20 V。输入信号在10 V范围内变化时，将输入信号接至10 VIN；在20V范围内变化时，接至20VIN。模拟输入信号的几种接法如表所示，相应电路如图所示。,表 模拟输入信号的几种接法,2023/8/7,85,图 AD574A的输入信号连接方法,2023/8/7,86,六、A/D转换器与系统的连接及举例,1 MCS-51和ADC0809的接
33、口2 MCS-51和ADC574的接口,返回本章首页,2023/8/7,87,1 MCS-51和ADC0809的接口,ADC0809和8031的接线如图所示。,图 ADC0809和8031接线图,2023/8/7,88,例 如图所示，试用查询和中断两种方式编写程序，对IN5通道上的数据进行采集，并将转换结果送入内部RAM20H单元。解：中断方式程序清单：ORG0000HMOVDPTR，#7FF5HMOVXDPTR，A；启动A/D转换SETBEASETBEX1；开外中断1SETBIT1；外中断请求信号为下跳沿触发方式LOOP：SJMPLOOP；等待中断END,2023/8/7,89,中断服务程序
34、：ORG0013H；外中断1的入口地址LJMP1000H；转中断服务程序的入口地址ORG1000HMOVXA，DPTR；读取A/D转换数据MOV20H，A；存储数据RETI；中断返回,2023/8/7,90,查询方式程序清单：ORG0000HMOVDPTR，#7FF5HMOVXDPTR，A；启动A/D转换LOOP：JBP3.3，LOOP；等待转换结束MOVXA，DPTR；读取A/D转换数据MOV20H，A；存储数据END,2023/8/7,91,例 如图所示，试编程对8个模拟通道上的模拟电压进行一遍数字采集，并将采集结果送入内部RAM以30H单元为始地址的输入缓冲区。,图 8031和ADC08
35、09的接口,2023/8/7,92,解：从图中可以看出，接线方式为中断方式。ADDA、ADDB和ADDC三端接8031的P0.0、P0.1 和P0.2，故通道号是通过数据线来选择。,程序清单：ORG0000HMOVR0，#30H；数据区始地址送R0MOVR7，#08H；通道数送R7MOVR6，#00H；IN0地址送R6MOVIE，#84H；开中断SETBIT1；外中断请求信号为下跳沿触发方式MOVR1，#0F0H；送端口地址到R1MOVA，R6；IN0地址送AMOVXR1，A；启动A/D转换LOOP：SJMPLOOP；等待中断END,2023/8/7,93,中断服务程序：ORG0013H；外中
36、断1的入口地址AJMP1000H；转中断服务程序的入口地址ORG1000HMOVXA，R1；读入A/D转换数据MOVR0，A；将转换后的数据存入数据区INCR0；数据区指针加1INCR6；模拟通道号加1MOVA，R6；新的模拟通道号送AMOVXR1，A；启动下一通道的A/D转换DJNZR7，LOOP1；8路采样未结束，则转向LOOP1CLREX1；8路采样结束，关中断LOOP1：RETI；中断返回,返回本节,2023/8/7,94,2.8031和AD574的接口图表示出了AD574与8031单片机的接口电路。,2023/8/7,95,图 单极性输入电路,2023/8/7,96,例 在图 中，试
37、编写程序，使AD 574进行12位A/D转换，并把转换后的12位数字量存入内部20H和21H单元。设20H单元存放高8位，21H单元存放低4位。解：程序清单如下：ORG0000H MOVR0，#20H；数据区首址MOVDPTR，#0FF7CH MOVXDPTR，A；启动A/D转换,2023/8/7,97,LOOP：JBP1.0，LOOP；转换是否结束，未结束，等待MOVDPTR，#0FF7DHMOVXA，DPTR；读高8位数据MOVR0，A；存高8位数据INCDPTRINCDPTRMOVXA，DPTR；读低4位数据ANLA，#0FH；屏蔽高4位随机数INCR0MOVR0，A；存低4位数据END
38、,2023/8/7,98,第四节,模拟量输出通道及D/A转换器,2023/8/7,99,本节主要内容,D/A转换器原理及器件D/A转换器与CPU的连接,2023/8/7,100,模拟量输出通道的任务-把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的;模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)构成-一般是由接口电路、数/模转换器(简称D/A或DAC)和电压/电流变换器等;模拟量输出通道基本构成-多D/A结构（图(a)）和共享D/A结构（图(b)）,2023/8/7,101,特点：1、一路输出通道使用一个D/A转换器 2、D/A转换器芯片内部一般都带有数
39、据锁存器 3、D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用 4、结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立 5、缺点是所需D/A转换器芯片较多,2023/8/7,102,特点：1、多路输出通道共用一个D/A转换器 2、每一路通道都配有一个采样保持放大器 3、D/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用 4、采样保持器实现模拟信号保持功能 5、节省D/A转换器，但电路复杂，精度差，可靠低、占用主机时间,2023/8/7,103,二、D/A转换器工作原理,1、并行D/A转换器工作原理,2023/8/7,104,1、并行D/A转换器工作原理,现以 4 位 D/A 转换器为例说明其工作原理，
40、如图 所示。,2023/8/7,105,假设D3、D2、D1、D0全为1，则BS3、BS2、BS1、BS0全部与“1”端相连。根据电流定律，有：,2023/8/7,106,由于开关 BS3 BS0 的状态是受要转换的二进制数 D3、D2、D1、D0 控制的，并不一定全是“1”。因此，可以得到通式：,2023/8/7,107,考虑到放大器反相端为虚地，故：,选取 Rfb=R，可以得到：,结论：由上述推导可见，输出电压除了与输入的二进制数有关，还与运算放大器的反馈电阻 Rfb以及基准电压VREF有关。,2023/8/7,108,对于 n 位 D/A 转换器，它的输出电压VOUT与输入二进制数B(D
41、n-1 D0)的关系式可写成：,2023/8/7,109,三、常用 D/A转换器及其与CPU的连接,2023/8/7,110,D/A转换器的性能指标,D/A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数，也是选用D/A芯片型号的依据。主要性能指标有：（1）分辨率（2）转换精度（3）偏移量误差（4）稳定时间,2023/8/7,111,（1）分辨率,分辨率-是指 D/A 转换器能分辨的最小输出模拟增量，即当输入数字发生单位数码变化时所对应输出模拟量的变化量，它取决于能转换的二进制位数，数字量位数越多，分辨率也就越高。其分辨率与二进制位数n呈下列关系：分辨率=满刻度值/（2n-1）=VREF/2n,2023
42、/8/7,112,（2）转换精度,转换精度-是指转换后所得的实际值和理论值的接近程度。它和分辨率是两个不同的概念。例如，满量程时的理论输出值为10V，实际输出值是在9.99V10.01V之间，其转换精度为10mV。对于分辨率很高的D/A转换器并不一定具有很高的精度。,2023/8/7,113,（3）偏移量误差,偏移量误差-是指输入数字量时，输出模拟量对于零的偏移值。此误差可通过D/A转换器的外接VREF和电位器加以调整。,2023/8/7,114,（4）稳定时间,稳定时间-是描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变化到输出模拟量达到终值误差1/2LSB时所需的时间。显然，稳定时间越大
43、，转换速度越低。对于输出是电流的D/A转换器来说，稳定时间是很快的，约几微秒，而输出是电压的D/A转换器，其稳定时间主要取决于运算放大器的响应时间。,2023/8/7,115,1.8位DAC0832芯片,主要知识点(1)DAC0832性能（2）DAC0832 工作原理（3）DAC0832 管脚功能,2023/8/7,116,（1）DAC0832性能,一个8位D/A转换器电流输出方式稳定时间为1s采用20脚双立直插式封装同系列芯片还有 DAC0830、DAC0831,2023/8/7,117,（2）DAC0832工作原理,2023/8/7,118,DAC0832的原理框图及引脚如图所示。DAC0
44、832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。8 位输入寄存器用于存放主机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由加以控制；8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量，由加以控制；8位D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流；由与门、非与门组成的输入控制电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态。,2023/8/7,119,DI0DI7：数据输入线，其中DI0为最低有效位LSB，DI7为 最高有效位MSB。CS：片选信号，输入线，低电平有效。WR1：写信号1，输入线，低电平有效。ILE：输入允许锁存信号，输入线，高电平有效 当ILE、和同时有效时，8位输入
45、寄存器端为高电平1，此时寄存器的输出端Q跟随输入端D的电平变化；反之，当端为低电平0时，原D 端输入数据被锁存于Q端，在此期间D端电平的变化不影响Q端。,（3）DAC0832管脚功能,2023/8/7,120,XFER(Transfer Control Signal):传送控制信号，输入线，低电平有效。IOUT1：DAC电流输出端1，一般作为运算放大器差动输入信号之一。IOUT2：DAC电流输出端2，一般作为运算放大器另一个差动输入信号。Rfb：固化在芯片内的反馈电阻连接端，用于连接运算放大器的输出端。VREF：基准电压源端，输入线，10 VDC 10 VDC。VCC：工作电压源端，输入线，5
46、 VDC 15 VDC。,2023/8/7,121,当WR2和XFER同时有效时，8位DAC寄存器端为高电平“1”，此时DAC寄存器的输出端Q跟随输入端D也就是输入寄存器Q端的电平变化；反之，当端为低电平“0”时，第一级8位输入寄存器Q端的状态则锁存到第二级8位DAC寄存器中，以便第三级8位DAC转换器进行D/A转换。一般情况下为了简化接口电路，可以把和直接接地，使第二级8位DAC寄存器的输入端到输出端直通，只有第一级8位输入寄存器置成可选通、可锁存的单缓冲输入方式。特殊情况下可采用双缓冲输入方式，即把两个寄存器都分别接成受控方式。,2023/8/7,122,(3）DAC0832输出方式,2.
47、3.1 电压输出方式 2.3.2 电流输出方式 2.3.3 自动/手动输出方式,引言,2023/8/7,123,引 言,多数D/A转换芯片输出的是弱电流信号，要驱动后面的自动化装置，需在电流输出端外接运算放大器。根据不同控制系统自动化装置需求的不同，输出方式可以分为电压输出、电流输出以及自动/手动切换输出等多种方式。,2023/8/7,124,电压输出方式,由于系统要求不同，电压输出方式又可分为单极性输出和双极性输出两种形式。下面以8位的DAC0832芯片为例作一说明。,2023/8/7,125,图 D/A转换单极性输出方式,2023/8/7,126,DAC单极性输出,式中：,VREF/256
48、是常数,显然，VOUT和 B 成正比关系，输入数字量 B 为 00H 时，VOUT也为 0；输入数字量 B 为FFH即255时，VOUT 为与 VREF 极性相反的最大值。,DAC单极性输出方式如图 所示，可得输出电压VOUT的单极性输出表达式为：,2023/8/7,127,D/A转换双极性输出方式,2023/8/7,128,A1 和 A2 为运算放大器，A点为虚地，故可得：,解上述方程可得双极性输出表达式：,(2-3),图中运放 A2 的作用是将运放 A1 的单向输出变为双向输出。当输入数字量小于 80 H即128时，输出模拟电压为负；当输入数字量大于 80 H即128时，输出模拟电压为正。
49、其它n位D/A转换器的输出电路与DAC0832 相同，计算表达式中只要把 28-1改为2n-1即可。,或,2023/8/7,129,（1）DAC1210性能,DAC1210-是一个12位D/A转换器，电流输出方式，其结构原理与控制信号功能基本类似于 DAC0832。由于它比 DAC0832多了4条数据输入线，故有24条引脚，DAC 1210内部原理框图如图所示，其同系列芯片DAC1208、DAC1209可以相互代换。,（2）12位转换器芯片DAC1210,2023/8/7,130,图 DAC1210原理框图及引脚,链接动画,2023/8/7,131,（2）DAC1210工作原理,DAC1210
50、内部有三个寄存器：一个8位输入寄存器，用于存放12位数字量中的高8位DI11DI4；一个4位输入寄存器，用于存放12位数字量中的低4位DI3 DI0；一个12位DAC寄存器，存放上述两个输入寄存器送来的12位数字量；12位D/A转换器用于完成12位数字量的转换。由与门、非与门组成的输入控制电路来控制3个寄存器的选通或锁存状态。其中引脚（片选信号、低电平有效）、（写信号、低电平有效）和BYTE1/（字节控制信号）的组合，用来控制 8 位输入寄存器和 4 位输入寄存器。,2023/8/7,132,当CS、WR1为低电平“0”，BYTE1/为高电平“1”时，与门的输出LE1、LE2为“1”，选通 8
