第8章模擬量的輸入輸出

1、18.1 模擬量輸入輸出接口主要內容：主要內容：n模擬量輸入輸出通道的組成模擬量輸入輸出通道的組成nD/A轉換器的工作原理、連接及編程轉換器的工作原理、連接及編程nA/D轉換器的工作原理、連接及編程轉換器的工作原理、連接及編程2一、模擬量輸入輸出通道n模擬量的輸入通道：模擬量的輸入通道： 將工業(yè)現(xiàn)場的模擬信號或非電的物理信號轉換為將工業(yè)現(xiàn)場的模擬信號或非電的物理信號轉換為 計算機的標準輸入信號計算機的標準輸入信號 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集n模擬量的輸出通道模擬量的輸出通道 將計算機輸出的數(shù)字信號轉換為模擬量以驅動生將計算機輸出的數(shù)字信號轉換為模擬量以驅動生 產(chǎn)現(xiàn)場的執(zhí)行器件產(chǎn)現(xiàn)場的執(zhí)行器件 過程控制過

2、程控制3模擬量I/O通道的組成：模擬接口電路的任務模擬接口電路的任務模擬電路的任務模擬電路的任務0010110110101100工工業(yè)業(yè)生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程傳傳感感器器放大放大濾波濾波多路轉換多路轉換&采樣保持采樣保持A/D轉換轉換放大放大驅動驅動D/A轉換轉換輸出輸出接口接口微微型型計計算算機機執(zhí)行執(zhí)行機構機構輸入輸入接口接口物理量物理量變換變換信號信號處理處理信號信號變換變換I/O接口接口輸入通道輸入通道輸出通道輸出通道4模擬量I/O接口模擬量模擬量D/A傳感器傳感器執(zhí)行元件執(zhí)行元件A/D數(shù)字量數(shù)字量數(shù)字量數(shù)字量模擬量模擬量模擬量輸入模擬量輸入(數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集)模擬量輸出模擬量輸出(

3、過程控制過程控制)計算機計算機5二、數(shù)/模（D/A）變換器掌握：掌握：nD/A變換器的工作原理變換器的工作原理nD/A變換器的主要技術指標變換器的主要技術指標nDAC0832的三種工作模式的三種工作模式nDAC0832的應用的應用61. D/A變換器的基本構成 模擬開關模擬開關 電阻網(wǎng)絡電阻網(wǎng)絡 運算放大器運算放大器權電阻網(wǎng)絡權電阻網(wǎng)絡R-2R梯形電阻網(wǎng)絡梯形電阻網(wǎng)絡VrefRf 模擬開關模擬開關電阻網(wǎng)絡電阻網(wǎng)絡VO數(shù)字量數(shù)字量72. 基本變換原理 n運放的放大倍數(shù)足夠大時，輸出電壓運放的放大倍數(shù)足夠大時，輸出電壓VO與輸入與輸入電壓電壓Vin的關系為：的關系為：ViRf VOR fOinRV

4、= -VR8基本變換原理n若輸入端有若輸入端有n個支路個支路, 則輸出電壓則輸出電壓VO與輸入電與輸入電壓壓Vi的關系為：的關系為：n0fini=1i1V = -RVRViRf VOR1Rn9基本變換原理n令每個支路的輸入電阻為令每個支路的輸入電阻為2iR，并令基準電壓，并令基準電壓Vref =（Rf/Ri）Vi，則有，則有nn0frefrefiii=1i=1f11V = -RV= -V2 R210基本變換原理n如果每個支路由一個開關如果每個支路由一個開關Si控制，控制，Si=1表示表示Si合上，合上，Si=0表示表示Si斷開，則上式斷開，則上式變換為變換為n0irefii=11V = -SV

5、2若若Si=1,該項對該項對VO有貢獻；若有貢獻；若Si=0,該項對該項對VO無貢獻無貢獻11權電阻網(wǎng)絡：2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8這里，上式中的這里，上式中的n=812基本變換原理n如果用如果用8位二進制代碼來控制圖中的位二進制代碼來控制圖中的S1 S8 (Di=1時時Si閉合；閉合；Di=0時時Si斷開斷開)，則不同的二進制則不同的二進制代碼就對應不同輸出電壓代碼就對應不同輸出電壓VO；n當代碼在當代碼在0FFH之間變化時，之間變化時，VO相應地在相應地在0-(255/256)Vref之間變化；之間變化；n為控制電阻網(wǎng)絡

6、各支路電阻值的精度，實際的為控制電阻網(wǎng)絡各支路電阻值的精度，實際的D/A轉換器采用轉換器采用R-2R梯形電阻網(wǎng)絡，它只用兩梯形電阻網(wǎng)絡，它只用兩種阻值的電阻種阻值的電阻(R和和2R)。133. 主要技術指標 n分辨率（分辨率（Resolution） 輸入的二進制數(shù)每輸入的二進制數(shù)每1個最低有效位個最低有效位 (LSB)使輸出變化的程度。使輸出變化的程度。n可用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示，如可用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、位、10位等；也可用一個位等；也可用一個LSB 使輸出變化的程度來使輸出變化的程度來表示。表示。nLSB Least Significant BitLSB Least Sign

7、ificant Bit14分辯率n一個滿量程為一個滿量程為5V的的10位位D/A變換器，變換器，1 LSB的變化將使輸出變化的變化將使輸出變化 5/(210-1) = 5/1023 = 0.04888V = 48.88mV15轉換精度（誤差）實際輸出值與理論值之間的最大偏差實際輸出值與理論值之間的最大偏差n可用最小量化階可用最小量化階來度量：來度量： =1/2 LSB1/2 LSBn也可用滿量程的百分比來度量：也可用滿量程的百分比來度量： 如如0.05% FSR0.05% FSR(FSR-Full Scale Range)16轉換時間n從開始轉換到與滿量程值相差從開始轉換到與滿量程值相差1/2

8、 LSB1/2 LSB所對所對應的模擬量所需要的時間。應的模擬量所需要的時間。tV1/2 LSBtCVFULL174. DAC0832特點：特點：n8位電流輸出型位電流輸出型D/A轉換器轉換器nT型電阻網(wǎng)絡型電阻網(wǎng)絡n差動輸出差動輸出18DAC0832的內部結構：19主要引線功能輸入寄存器控制信號：輸入寄存器控制信號：nD7D0：輸入數(shù)據(jù)線：輸入數(shù)據(jù)線nILE：輸入鎖存允許：輸入鎖存允許nCS：片選信號：片選信號nWR1：寫輸入鎖存器：寫輸入鎖存器20主要引線功能用于用于DAC寄存器的控制信號：寄存器的控制信號：nWR2：寫：寫DAC寄存器寄存器nXFER：允許輸入鎖存器的數(shù)據(jù)傳送到：允許輸入

9、鎖存器的數(shù)據(jù)傳送到DAC寄存器寄存器21主要引線功能其它引線：其它引線：nVREF：參考電壓。：參考電壓。 -10V+10V，一般為，一般為+5V或或+10VnIOUT1、IOUT2： D/A轉換差動電流輸出。轉換差動電流輸出。 用于連接運算放大器的輸入用于連接運算放大器的輸入nRfb：內部反饋電阻引腳，接運放輸出內部反饋電阻引腳，接運放輸出nAGND、DGND：模擬地和數(shù)字地模擬地和數(shù)字地 22工作時序寫輸入寫輸入寄存器寄存器寫寫DAC寄存器寄存器23工作模式n單緩沖模式單緩沖模式n雙緩沖模式雙緩沖模式n無緩沖模式無緩沖模式24單緩沖模式n使輸入鎖存器或使輸入鎖存器或DAC寄存器二者之一處于

10、直通，寄存器二者之一處于直通，即芯片只占用一個端口地址。即芯片只占用一個端口地址。nCPU只需一次寫入即開始轉換。寫入數(shù)據(jù)的程只需一次寫入即開始轉換。寫入數(shù)據(jù)的程序為：序為： MOV DX，PORT MOV AL，DATA OUT DX，AL25雙緩沖模式（標準模式）n對輸入寄存器和對輸入寄存器和DAC寄存器均需控制；寄存器均需控制；n當輸入寄存器控制信號有效時，數(shù)據(jù)寫入輸入寄存當輸入寄存器控制信號有效時，數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器中；再在器中；再在DAC寄存器控制信號有效時，數(shù)據(jù)才寫寄存器控制信號有效時，數(shù)據(jù)才寫入入DAC寄存器，并啟動變換；寄存器，并啟動變換；n此時芯片占用兩個端口地址；此時芯片占

11、用兩個端口地址；n優(yōu)點：數(shù)據(jù)接收與優(yōu)點：數(shù)據(jù)接收與D/A轉換可異步進行；轉換可異步進行； 可實現(xiàn)多個可實現(xiàn)多個DAC同步轉換輸出同步轉換輸出n特點：特點：分時寫入、同步轉換分時寫入、同步轉換26雙緩沖模式同步轉換例27雙緩沖模式的數(shù)據(jù)寫入程序MOV AL，data MOV DX，port1 0832-1的輸入寄存器地址的輸入寄存器地址OUT DX，ALMOV DX，port2 0832-2的輸入寄存器地址的輸入寄存器地址OUT DX，AL MOV DX，port3 DAC寄存器地址寄存器地址OUT DX，AL HLT28無緩沖器模式n使內部的兩個寄存器都處于直通狀態(tài)。模擬使內部的兩個寄存器都處

12、于直通狀態(tài)。模擬輸出始終跟隨輸入變化。輸出始終跟隨輸入變化。n不能直接與數(shù)據(jù)總線連接，需外加并行接口不能直接與數(shù)據(jù)總線連接，需外加并行接口(如如74LS373、8255等等)。295. D/A轉換器的應用信號發(fā)生器信號發(fā)生器 用于閉環(huán)控制系統(tǒng)用于閉環(huán)控制系統(tǒng)向向D/A轉換器寫入某種按規(guī)轉換器寫入某種按規(guī)律變化的數(shù)據(jù)，即可在輸出律變化的數(shù)據(jù)，即可在輸出端獲得相應的各種波形端獲得相應的各種波形30三、模/數(shù)（A/D）轉換器主要內容：主要內容：nA/D轉換器的一般工作原理；轉換器的一般工作原理；nA/D轉換器的主要技術指標；轉換器的主要技術指標；nA/D轉換器的應用轉換器的應用與系統(tǒng)的連接與系統(tǒng)的連

13、接數(shù)據(jù)采集程序的編寫數(shù)據(jù)采集程序的編寫311. A/D轉換器用途n用于將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數(shù)字信用于將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數(shù)字信號的裝置，簡稱號的裝置，簡稱ADC，是模擬系統(tǒng)與計算是模擬系統(tǒng)與計算機之間的接口部件。機之間的接口部件。322. A/D轉換器類型n計數(shù)型計數(shù)型A/D轉換器轉換器 速度慢、價格低，適用于慢速系統(tǒng)速度慢、價格低，適用于慢速系統(tǒng)n雙積分型雙積分型A/D轉換器轉換器 分辯率高、抗干擾性好、轉換速度慢，適用于中速系統(tǒng)分辯率高、抗干擾性好、轉換速度慢，適用于中速系統(tǒng)n逐位反饋型逐位反饋型A/D轉換器轉換器 轉換精度高、速度快、抗干擾性差轉換精度高、速度快、抗干擾性差3

14、3逐位反饋型A/D轉換器D/A+ +- -V Vi i比較器逐次變換寄存器SAR 數(shù)字量輸出時序及控制邏輯 VC原理：類似天平稱重量時的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量去逼近被稱物原理：類似天平稱重量時的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量去逼近被稱物343. 主要技術指標n轉換精度轉換精度 量化誤差量化誤差 非線性誤差非線性誤差 其它誤差其它誤差n總誤差總誤差=各誤差的均方根各誤差的均方根影響精度的誤差影響精度的誤差35量化間隔n一個最低有效位對應的模擬量，即一個最低有效位對應的模擬量，即 =Vmax /（2n-1）n例：某例：某8位位ADC的滿量程電壓為的滿量程電壓為5V，則其分，則其分辨率為：辨率為

15、： 5V/255=19.6mV36量化誤差n絕對量化誤差絕對量化誤差=1/2 n相對量化誤差相對量化誤差=（1/2） 1LSB 100%37量化誤差n例：例： 設滿量程電壓設滿量程電壓=10V， A/D變換器位數(shù)變換器位數(shù)=10位，則：位，則： 絕對量化誤差絕對量化誤差 10/211 = 4.88mV 相對量化誤差相對量化誤差 1/211 *100% = 0.049%38轉換時間n實現(xiàn)一次轉換需要的時間實現(xiàn)一次轉換需要的時間n精度越高（字長越長），轉換速度越慢。精度越高（字長越長），轉換速度越慢。39輸入動態(tài)范圍n允許轉換的電壓的范圍允許轉換的電壓的范圍 如如05V、010V等。等。404.

16、ADC0809n8通道（通道（8路）輸入路）輸入n8位字長位字長 n逐位逼近型逐位逼近型n轉換時間轉換時間100s n內置三態(tài)輸出緩沖器內置三態(tài)輸出緩沖器41主要引腳功能nD7D0：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）nIN0IN7：8通道（路）模擬輸入通道（路）模擬輸入nADDA、ADDB、ADDC：通道地址：通道地址nALE：通道地址鎖存：通道地址鎖存nSTART：啟動轉換：啟動轉換nEOC：轉換結束狀態(tài)輸出：轉換結束狀態(tài)輸出nOE：輸出允許（打開輸出三態(tài)門）：輸出允許（打開輸出三態(tài)門）nCLK：時鐘輸入（：時鐘輸入（10KHz1.2MHz）42START EOC CLK OED7D0V

17、REF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比較器比較器8路模路模擬開擬開關關逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器SAR樹狀開關樹狀開關電阻網(wǎng)絡電阻網(wǎng)絡三態(tài)三態(tài)輸出輸出鎖存鎖存器器時序與控制時序與控制地址地址鎖存鎖存及及譯碼譯碼D/A8個個模模擬擬輸輸入入通通道道8選選1內部結構：43工作時序啟動啟動地址地址鎖存鎖存ADDA-ADDCADDA-ADDCALE/STARTALE/STARTEOCEOCOEOED D0-0-D D7 7轉換時間轉換時間44ADC0809工作過程n送通道地址，以選擇要轉換的模擬輸入；送通道地址，以選擇要轉換的模擬輸入；n鎖存通道地址到內部地址鎖存器

18、；鎖存通道地址到內部地址鎖存器；n啟動啟動A/D變換；變換；n判斷轉換是否結束；判斷轉換是否結束；n讀轉換結果讀轉換結果45ADC0809的應用n芯片與系統(tǒng)的連接芯片與系統(tǒng)的連接n編寫相應的數(shù)據(jù)采集程序編寫相應的數(shù)據(jù)采集程序46芯片與系統(tǒng)的連接模擬輸入端模擬輸入端Ini ：單路輸入時單路輸入時ADDCADDBADDAIN4ADC0809輸入輸入多路輸入時多路輸入時ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸入輸入0輸入輸入1輸入輸入2輸入輸入3輸入輸入4CPU指定指定通道號通道號+5V47通道地址線的連接n多路輸入時，地址線不能接死，要通過一個接口芯多路輸入時，地址線

19、不能接死，要通過一個接口芯片與數(shù)據(jù)總線連接。片與數(shù)據(jù)總線連接。n接口芯片可以選用：接口芯片可以選用： 簡單接口芯片簡單接口芯片74LS273，74LS373等等（占用一個占用一個I/O地址地址） 可編程并行接口可編程并行接口8255（占用四個占用四個I/O地址地址）48通道地址線的連接ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸輸入入DB74LS273Q2Q1Q0CP來自來自I/O譯碼譯碼D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#來自來自I/O譯碼譯碼D0-D7A1A0A1A049數(shù)據(jù)輸出線的連接n可直接連到可直接連到DB上，或通過另外一個輸入接口與上，或通過另外一個輸入接口與DB相連；相連；n兩種方法均需占用一個兩種方法均需占用一個I/O地址地址D0-D7ADC0809DBOE來自來自I/O譯碼譯碼D0-D7ADC0809DBOE來自來自I/O譯碼譯碼直接連直接連DB通過輸入接口連通過輸入接口連DB74LS244+5VDIDOE1#E2#50ALE和START端的連接n獨立連接：獨立連接：用兩個信號分別進行控制，需占用兩個用兩個信號分別進行控制，需占用兩個I/O端口端口 或兩個或兩個I/O線；線；n統(tǒng)