模擬量輸入輸出與數據采集卡

1、第六章模擬量輸入輸出與數據采集卡 通過本章的學習，使考生掌握D/A，A/D轉換的原理和典型芯片，在此基礎上了解工業(yè)控制計算機常用模板的組成和應用。 要求： (1)了解D/A轉換的工作原理和8位，12位D/A轉換芯片；DA轉換器與總線的連接和應用方法。 (2)了解A/D轉換器的工作原理和指標，熟悉A/D轉換的典型芯片和多路轉換器，采樣保持器的工作原理。 (3)了解數據采集卡的組成和指標及其應用方法，了解工控機配套模板的概況。一、重點提示本章重點是D/A，A/D轉換器的工作原理，與總線的連接方法。二、難點提示本章難點是利用這些芯片和多路開關、采樣保持器組成數據采集卡的應用方法?？己四康模嚎己藢W生對

2、微型計算機的模擬通道的構成及工作原理的掌握。 1數模轉換器D/A (1)D/A轉換的指標和工作原理 / (2)典型D/A轉換器芯片 (3)D/A轉換器與總線的連接 2模數轉換器A/D (1)A/D轉換器的工作原理（雙積分和逐次逼近型A/D轉換），A/D轉換器主要指標 (2)典型A/D轉換器芯片（ADC0809及12位A/D芯片）的功能和組成，與總線的連接 3多路開關 (1)數據采集系統對多路開關的要求 (2)幾種多路開關芯片 (3)幾種多路開關的主要技術參數 4采樣保持器 (1)采樣保持器的工作原理 (2)常用的采樣保持器芯片 5數據采集卡的組成及其應用 本章知識結構如下： （一）DA轉換接口

3、 D/A轉換器的作用是將二進制的數字量轉換為相應的模擬量。D/A轉換器的主要部件是電阻開關網絡，其主要網絡形式有權電阻網絡和R-2R梯形電阻網絡。 集成D/A芯片類型很多，按生產工藝分有雙極型、MOS型等；按字長分有8位、10位、12位等；按輸出形式分有電壓型和電流型。另外，不同生產廠家的產品，其型號各不相同。例如，美國國家半導體公司的D/A芯片為DAC系列，如DAC0832等；美國模擬器件公司的D/A芯片為AD系列，如AD558等。使用時可參閱各公司提供的使用手冊。 1DAC0832 DAC0832是美國國家半導體公司采用CMOS工藝生產的8位D/A轉換集成電路芯片。它具有與微機連接簡單、轉

4、換控制方便、價格低廉等特點，因而得到了廣泛的應用。 (1) DAC0832的結構與引腳 DAC0832的邏輯結構框圖如下圖所示。片內有R-2RT型電阻網絡，用于對參考電壓提供的兩條回路分別產生兩個電流信號IOUT1和IOUT20 DAC0832采用8位輸入寄存器和8位DAC寄存器二次緩沖方式，這樣可以在D/A輸出的同時，送入下一個數據，以便提高轉換速度。每個輸入數據為8位，可以直接與微機的數據總線相連，其邏輯電平與TTL電平兼容。 一一DA轉換器的數字量輸入引腳。其中為最低位，為最高位。CS片選信號輸入端，低電平有效。一輸入寄存器的寫信號，低電平有效。ILE一一輸入寄存器選通信號，高電平有效。

5、IIE信號和共同控制選通輸入寄存器。當均為低電平，而ILE為高電平時，輸入數據被送至8位輸入寄存器的輸出端；當上述三個控制信號任一個無效時，變高，輸入寄存器將數據鎖存，輸出端呈保持狀態(tài)。從輸入寄存器向DAC寄存器傳送D/A轉換數據的控制信號，低電平有效。DAC寄存器的寫信號，低電平有效。當和同時有效時，輸入寄存器的數據裝入DAC寄存器，并同時啟動一次D/A轉換。芯片電源，其值可在+5+15 V之間選取，典型值取+15 V。AGND-模擬信號地。DGND數字信號地。一一內部反饋電阻引腳，用來外接D/A轉換器輸出增益調整電位器。D/A轉換器的基準電壓，其范圍可在-lO+10 V內選定。該端連至片內

6、的R-2RT型電阻網絡，由外部提供一個準確的參考電壓。該電壓精度直接影響著D/A轉換精度。D/A轉換器輸出電流1，當輸入全l時，輸出電流最大，約為I當輸入為全O時，輸出電流最小，即為O。DA轉換器輸出電流2，它與有如下關系：=常數 D/A轉換沒有形式上的啟動信號。實際上將數據寫入第二級寄存器的控制信號就是D/A轉換器的啟動信號。另外，它也沒有轉換結束信號，D/A過程很快，一般還不到一條指令的執(zhí)行時間。 (2)DAC0832的工作方式 DAC0832內部有兩個寄存器，能實現三種工作方式：雙緩沖、單緩沖和直通方式。 雙緩沖工作方式是指兩個寄存器分別受到控制。當ILE、CS和WR1信號均有效時，8位

7、數字量被寫入輸入寄存器，此時并不進行A/D轉換。當WR2和XFER信號均有效時，原來存放在輸入寄存器中的數據被寫入DAC寄存器，并進入D/A轉換器進行D/A轉換。在一次轉換完成后到下一次轉換開始之前，由于寄存器的鎖存作用，8位D/A轉換器的輸入數據保持恒定，因此D/A轉換的輸出也保持恒定。 單緩沖工作方式是指只有一個寄存器受到控制。這時將另一個寄存器的有關控制信號預先設置成有效，使之開通，或者將兩個寄存器的控制信號連在一起，兩個寄存器作為一個來使用。直通工作方式是指兩個寄存器的有關控制信號都預先置為有效，兩個寄存器都開通。只要數字量送到數據輸入端，就立即迸入D/A轉換器進行轉換。這種方式應用較

8、少。(3)電壓輸出電路的連接：DAC0832以電流形式輸出轉換結果，若要得到電壓形式的輸出；需要外加I/V轉換電路，常采用運算放大器實現I/V轉換。 對于單極性輸出電路，輸出電壓為：式中D為輸入數字量的十進制數。因為轉換結果接運算放大器的反向端，所以式中有一個負號。若,當 D- 0 255 (00HFFH)時,。 通過調整運算放大器的調零電位器，可以對D/A芯片進行零點補償。通過調節(jié)外接于反饋回路的電位器RP1，可以調整滿量程。 對于雙極性輸出電路，輸出電壓的表達式為：若，當D=O時，；當D=128(80H)時，；當D=255(FFH)時，4.96 V。2D/A轉換芯片與微處理器的接口 計算機

9、是通過輸出指令將要轉換的數字送到D/A轉換芯片來實現D/A轉換的，但由于輸出指令送出的數據在數據總線上持續(xù)的時間很短，因而需要數據鎖存器來鎖存CPU送來的數據，以便完成D/A轉換。目前生產的DAC芯片有的片內帶有鎖存器（如本節(jié)介紹的DAC0832），而有的則沒有。在實際中若選用了內部不帶鎖存器的D/A轉換芯片，就需要在CPU和D/A芯片之間增加鎖存電路。 （二）A/D轉換接口 A/D轉換器是模擬信號源與計算機或其他數字系統之間聯系的橋梁，它的任務是將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數字信號，以便計算機或數字系統進行處理。在工業(yè)控制和數據采集及許多其他領域中，A/D轉換器是不可缺少的重要組成部分。 由于

10、應用特點和要求的不同，需要采用不同工作原理的A/D轉換器。A/D轉換器的主要類型有：逐位比較（逐位逼近）型、積分型、計數型、并行比較型、電壓-頻率型（即V/F型）等。 在選用A/D轉換器時，主要應根據使用場合的具體要求，按照轉換速度、精度、功能以及接口條件等因素決定選擇何種型號的A/D轉換芯片。 1ADC0809 ADC0809是逐位逼近型8通道、8位A/D轉換芯片，CMOS工藝制造，雙列直插式28引腳封裝。給出了ADC0809芯片的內部結構框圖及引腳圖（圖中給出的數據為對應的引腳號）。ADC0809片內有8路模擬開關，可輸入8個模擬量，單極性輸入，量程為o+5V。典型的轉換速度為lOOms。

11、片內帶有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與CPU總線接口。其性能價格比有明顯的優(yōu)勢，是目前廣泛采用的芯片之一，可應用于對精度和采樣速度要求不高的數據采集場合或一般的工業(yè)控制領域。 (1)內部結構與轉換原理 如下圖所示，ADC0809內部由三部分組成：8路模擬量選通輸入部分，8位A/D轉換器和三態(tài)數據輸出鎖存器。 ADC20809允許連接8路模擬信號(IN7IN0)，由8路模擬開關選通其中一路信號輸入并進行A/D轉換，模擬開關受通道地址鎖存和譯碼電路的控制。當地址鎖存信號ALE有效時，3位地址ADDC、ADDB和ADDA(通常與地址總線和引腳相連）進入地址鎖存器，經譯碼后使8路模擬開關選通某一路模擬信號。

12、輸入的地址信息與所選通的模擬通道之間存在一一對應的關系。如當ADDC、ADDB、ADDA=000時，選通；ADDC、AD-DB、ADDA一001時，IN0選通；ADDC、ADDB、ADDA= 111時，選通。 8位A/D轉換器是逐次逼近式，由256R電阻分壓器、樹狀模擬開關（這兩部分組成一個D/A轉換器）、電壓比較器、逐次逼近寄存器SAR、邏輯控制和定時電路組成。其工作原理是采用對分搜索方法逐次比較，找出最逼近于輸入模擬量的數字量。電阻分壓器需外接正負基準電源。CLOCK端外接時鐘信號。A/D轉換器的啟動由START信號控制。轉換結束時控制電路將數字量送人三態(tài)輸出鎖存器鎖存，并產生轉換結束信號

13、EOC。 三態(tài)輸出鎖存器用來保存A/D轉換結果，當輸出允許信號OE有效時，將打開三態(tài)門，使轉換結果輸出。(2)引腳定義8路模擬量輸入端。ADDC、ADDB和ADDA地址輸入端，以選通的8路中的某一路信號。 AIE地址鎖存允許信號，有效時將ADDC、ADDB和ADDA鎖存。 CLOCK外部時鐘輸入端。允許范圍為101280kHz。時鐘頻率越低，轉換速度就越慢。STARTA/D轉換啟動信號輸入端。有效信號為一正脈沖，若在脈沖的上升沿，A/D轉換器內部寄存器均被清零，在其下降沿開始A/D轉換。 EOCA/D轉換結束信號。在START信號上升沿之后不久，EOC變?yōu)榈碗娖?。當A/D轉換結束時，EOC立即

14、輸出一正階躍信號，可用來作為A/D轉換結束的查詢信號或中斷請求信號。OE-輸出允許信號。當OE輸入高電平信號時，三態(tài)輸出鎖存器將A/D轉換結果輸出到數據量輸出端。數字量輸出端。為最低有效位(LSB)，為最高有效位(MSB)。與GND-電源電壓輸入端及地線。正負基準電壓輸入端。中心值為()2（應接近于)，其偏差不應該超過+0.1V。正負基準電壓的典型值分別為+5V和OV。ADC0809的數字量輸出值D（十進制數）與模擬量輸入值VIN之間的關系如下：通常，所以當，輸入的單極性模擬量從OV到4.98V變化時，對應的輸出數字量在O到255 (00H-FFH)之間變化。一、單項選擇題1下列哪一項不屬于D

15、/A轉換器的技術指標 ( ) A分辨率 B穩(wěn)定時間 C輸出電平 D引腳數量 答案D 【解析】D/A轉換器韻技術指標：分辨率、穩(wěn)定時間、輸出電平、絕對精度、相對精度、線性誤差、溫度系數。2下列不是DAC0832內部組成的選項是 ( ) A.2個數據緩沖寄存器 B8位輸入寄存器 C256BRAM D8位DAC寄存器 答案C， 【解析】。典型D/A轉換芯片的組成： (1)DAC0832.有2個數據緩沖寄存器、8位輸入寄存器和8位DAC寄存器。 (2)DAC1210.有8位D/A轉換器、12位輸入寄存器和12位DAC寄存器。 典型A/D轉換芯片的型號，功能和組成： (1) ADC0809 功能：將連續(xù)

16、變化的模擬信號轉換為數字信號，可應用于對精度和采樣速度要求不高的場合，或一般的工業(yè)控制領域。 組成：模擬輸入部分（有8路單端輸入的多路開關和地址鎖存與譯碼邏輯）、變換器部分（控制邏輯、逐位逼近寄存器SAR、比較器、電阻網絡）、三態(tài)輸出緩，沖器、基準電壓輸入端REF(+)和REF(-)。 (2)AD574A 功能：是12位逐次逼近式的ADC，將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數字信號，適用于對精度和速度要求較高的數據采集系統和實時控制系統。 組成：數據輸出寄存器、三態(tài)輸出的控制邏輯、逐次逼近寄存器、時鐘電路、D/A轉換器。3下列哪項是實現十六選一的多路轉換器 ( ) AAD7501 BAD7506 CA

17、D7502 DCD4051B 答案B 【解析】典型多路轉換器的型號和功能： (1)AD750l和AD7503：選擇8個通道中的一路。 (2)AD7502實現雙四選一，選擇8路輸人中的2個通道。 (3)AD7506實現十六選一。 (4)CD4051B雙向模擬多路開關，既可以用于“多到一”也可用于“一到多”的切換。4下列哪項不是高速采樣保持器芯片 ( ) ALF198 BHTS0025 C. HTS0060 D.HTS-0300 答案A 【解析】典型采樣保持器的型號和功能： 功能：在A/D進行轉換期間保持采樣輸入信號大小不變。 (1)通用型芯片：LFI98、LF398、AD582K、AD583K。

18、 (2)高速芯片：HTS一0025、HTS一0060、HTS一0300。(3)高分辨率芯片.SHAll44。二、填空題1D/A轉換的用途是_ ；A/D轉換的用途是_。 答案 將計算機中的數字量轉換為模擬量將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數字信號 【解析】(1)D/A轉換用途：將計算機中的數字量轉換為模擬量，一般為電壓或者電流信號。 (2)A/D轉換用途：將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數字信號，以便計算機或數字系統進行處理、存儲、控制和顯示。 A/D轉換器的技術指標：分辨率、精度、轉換時間、電源靈敏度、量程、輸出邏輯電平、工作溫度范圍。2DAC0832有三種工作方式，分別是_、_、_。 答案雙緩沖工作方式

19、單緩沖工作方式直通工作方式 【解析】雙緩沖工作方式可以實現數據的接收和啟動轉換可異步進行； 單緩沖工作方式是使兩個寄存器中任一個處于直通狀態(tài)，另一個工作于受控鎖存器狀態(tài)； 直通工作方式中數字信號一旦到達它的數據總線之后，立即進行D/A轉換進而輸出，所以一般情況下很少采用這種方式連接。三、綜合應用題1將內存緩沖區(qū)BUFFER中1000個字節(jié)數據送D/A 答案 SUB1： MOV CX，1000 MOV BX，OFFSET BUFFER MOV DXPORTA LOOP1： MOV AL，BX OUT DXAL CALL DELAYlms INC BX LOOP LOOP1 RET DELAYlm

20、s： MOV CX，0EFFH LOP: NOP LOOP LOP RET 【解析】D/A轉換器根據送來的數據可以輸出相應的波形，而且余弦波和正弦波就是通過這種形式輸出的。2利用DAC0832編程實現三角波發(fā)生器。SUB3. MOV DX,PORTA MOV AL,00HLOPl OUT DX,AL CALL DELAY INC AL CMP AL,0FFH JE LOP2 JMP LOP1LOP2: OUT DX,AL CALL DELAY DEC AL CMP AL,OOH JE LOP1 JMP LOP2 RET 【解析】利用0832編程產生三角波的規(guī)律是：首先從一個最小的數開始連續(xù)加1

21、輸出，到了最大數之后再減1連續(xù)輸出，到了最小之后再重復前一個過程，這樣連續(xù)循環(huán)即可，如果每個數的輸出時間很長，就可以變成了一個鋸齒波形輸出了。 3設計一個能用中斷方式巡回取樣8路模擬輸入，采集100組數據后停的系統，畫出硬件和相應的軟件部分流程圖和源程序。 答案(1)電路圖如下：(2)軟件流程圖如下：(3)軟件源程序如下：主程序部分： STACK SEGMENT STACK STA DB 20 DUP(?)TOP LABEL WORD STACK ENDS DATA SEGMENTBUFFER DB 800 DUP(?)DATA ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS. CODE, DS