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1、1,第8章 模拟量的输入输出,2,主要内容:,模拟量输入输出通道的组成 D/A转换器的工作原理、连接及编程 A/D转换器的工作原理、连接及编程,3,模拟量的输入输出通道,4,模拟量I/O通道:,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,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,变 送 器,5,模拟量的输入通道,传感器(Transducer) 非电量电压、电流 变送器(Tran
2、sformer) 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,6,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 提供足够的驱动电压,电流,7,闭环控制系统应用案例,水泥厂增湿塔出口温度控制系统,8,数/模(D/A)变换器,9,掌握:,D/A变换器的工作原理 D/A变换器的主要技术指标 DAC0832
3、的三种工作模式 DAC0832的应用,10,一、D/A变换器的工作原理,组成: 模拟开关 电阻网络 运算放大器,11,基本变换原理,当运放的放大倍数足够大时,输出电压VO与输入电压Vin的关系为:,12,基本变换原理,若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入电压Vi的关系为:,13,n=8的权电阻网络,2R 4R 8R 16R 32R 64R 128R 256R,Vref,Rf,VO,S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8,14,基本变换原理,如果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,则上式变换为,若Si=1,该项对VO有贡献; 若Si=0,该项对V
4、O无贡献,15,基本变换原理,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),则不同的二进制代码就对应不同输出电压VO; 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)。,16,实际的D/A转换器 R-2R梯形电阻网络,17,二、主要技术指标,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。 分辨率表示方法: 可用输入数字量的位数来表示,如8位、10位等; 也可用一个LS
5、B (Least Significant Bit)使输出变化的程度来表示。,18,分辩率例,一个满量程为5V的10位D/A变换器,1 LSB的变化所引起输出模拟量的变化为: 5/(210-1) = 5/1023 = 0.04888V = 48.88mV,19,转换精度(误差),实际输出值与理论值之间的最大偏差 影响转换精度的因素: 分辩率 电源波动 温度变化 ,20,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,21,三、典型D/A转换器DAC0832,特点: 8位电流输出型D/A转换器 T型电阻网络 差动输出,22,DAC0832的内部结构,23,主要引脚功能
6、,输入寄存器控制信号: 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,24,主要引脚功能,用于DAC寄存器的控制信号: WR2:写DAC寄存器 XFER:允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器,25,主要引脚功能,其它引线: VREF:参考电压。 -10V+10V,一般为+5V或+10V IOUT1、IOUT2:D/A转换差动电流输出。 用于连接运算放大器的输入 Rfb:内部反馈电阻引脚,接运放输出 AGND、DGND:模拟地和数字地,26,工作模式,单缓冲模式 双缓冲模式 无缓冲模式,27,单缓冲模式,使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通,即芯片只占
7、用一个端口地址。 CPU只需一次写入即开始转换。写入数据的程序为: MOV DX,PORT MOV AL,DATA OUT DX,AL,28,单缓冲模式例,利用教材图8-12所示线路图输出三角波: 端口地址:0278H 最大输出值5V,对应数字量:FFH 最小输出值0V,对应数字量:00H MOV DX,0278H MOV AL,0 NET1: OUT DX,AL INC AL CMP AL,0FFH JNZ NET1 DEC AL,NET2: OUT DX,AL DEC AL CMP AL,0 JNZ NET2 JMP NET1,29,双缓冲模式(标准模式),对输入寄存器和DAC寄存器均需控
8、制。 当输入寄存器控制信号有效时,数据写入输入 寄存器中;再在DAC寄存器控制信号有效时, 数据才写入DAC寄存器,并启动变换。 此时芯片占用两个端口地址。 优点: 数据接收与D/A转换可异步进行; 可实现多个DAC同步转换输出。 分时写入、同步转换。,30,工作时序,写输入寄存器,写DAC寄存器,31,双缓冲模式同步转换例,32,MOV AL,data MOV DX,port1 OUT DX,AL MOV DX,port2 OUT DX,AL MOV DX,port3 OUT DX,AL HLT,双缓冲模式的数据写入程序,0832-1的输入寄存器地址,0832-2的输入寄存器地址,DAC寄存
9、器地址,33,无缓冲器模式,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。 不能直接与数据总线连接,需外加并行接口(如74LS373、8255等)。,34,四、D/A转换器的应用,信号发生器 用于闭环控制系统,向D/A转换器写入某种按规律变化的数据,即可在输出端获得相应的各种波形,35,模/数(A/D)转换器,36,要点:,A/D转换器的一般工作原理 A/D转换器的主要技术指标 A/D转换器的应用 与系统的连接 数据采集程序的编写,37,A/D转换器,用于将连续变化的模拟信号转换为数字信号的装置,简称ADC,是模拟系统与计算机之间的接口部件。,38,A/D转换器类型,计数型A/D
10、转换器 -速度慢、价格低,适用于慢速系统 双积分型A/D转换器 -分辩率高、抗干扰性好、转换速度慢,适用于中速 系统 逐位反馈型A/D转换器 -转换精度高、速度快、抗干扰性差,39,一、A/D转换器的工作原理,逐位反馈型A/D转换器 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,40,二、主要技术指标,转换精度 量化误差 非线性误差 其它误差 总误差=各误差的均方根,41,量化间隔,一个最低有效位对应的模拟量 =Vmax /(2n-1) 例:某8位ADC的满量程电压为5V,则其分辨率为: 5V/255=19.6mV,42,量化误差,绝对量化误差 绝对量化误差=1/2 相对量化误
11、差 相对量化误差=(1/2) 100% 例: 设满量程电压=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% = 0.049%,43,转换时间,实现一次转换需要的时间。精度越高(字长越长),转换速度越慢。,44,输入动态范围,允许转换的电压的范围。 如05V、010V等。,45,三、典型的A/D转换器芯片,ADC0809: 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,46,主要引脚功能,D7D0:输出数据线(三态) IN0IN7:8通道(路)模拟输入 ADDA、ADDB、ADDC:通道
12、地址 ALE:通道地址锁存 START:启动转换 EOC:转换结束状态输出 OE:输出允许(打开输出三态门) CLK:时钟输入(10KHz1.2MHz),47,内部结构,IN7,IN0,8 个模拟输入通道,START EOC CLK,OE,D7 D0,VREF(+) VREF(-),ADDC ADDB ADDA ALE,比较器,8路模拟开关,逐位逼近寄存器SAR,树状开关,电阻网络,三态输出锁存器,时序与控制,地址锁存及 译码,D/A,8选1,48,工作时序,49,ADC0809的工作过程,由时序图知ADC0809的工作过程如下: 送通道地址,以选择要转换的模拟输入; 锁存通道地址到内部地址锁
13、存器; 启动A/D变换; 判断转换是否结束; 读转换结果,50,ADC0809的工作流程,Y,N,51,判断转换结束的方法,软件延时等待(比如延时120us) 此时不用EOC信号,CPU效率最低 软件查询EOC状态。 把EOC作为中断申请信号,接到8259的IN端。 在中断服务程序中读入转换结果,效率较高,52,ADC0809的应用,芯片与系统的连接 通常情况下需要经数字接口与系统连接 编写相应的数据采集程序 从数据采集到存储,53,ADC0809与系统的连接例,单路模拟量输入:,54,ADC0809与系统的连接例,多路模拟量输入:,55,数据采集程序流程,初始化,送通道地址,送ALE信号,送
14、START信号,读EOC状态,送读允许OE信号,EOC=1?,读转换结果,采集结束否?,N,Y,结 束,Y,送下一路通道地址,(1),(1),N,56,A/D转换器应用例题8.14,8255的地址范围 0000001111110100 0000001111110111 设计与系统的连接线路图 单路模拟量输入,无需连接通道地址和地址锁存信号; 利用8255的A口和B口读取转换结果,C端口输出和输入各种控制信息。,58,8255初始化程序,INIT PROC NEAR PUSH DX PUSH AX MOV DX,03F7H MOV AL,9AH OUT DX,AL MOV AL,01H ;PC0
15、初始置1 OUT DX,AL MOV AL,02H OUT DX,AL ;PC1初始置0 POP AX POP DX RET INIT ENDP,59,数据采集程序,START:MOV AX,SEG DATA MOV DS,AX LEA SI,DATA CALL INIT MOV DX,03F6H MOV AL,03H OUT DX,AL NOP MOV AL,01H OUT DX,AL WAITT:IN AL,DX,AND AL,40H JZ WAITT AND AL,0FEH OUT DX,AL MOV DX,03F5H IN AL,DX MOV SI,AL INC SI MOV DX,03F4H IN AL,DX MOV SI,AL HLT,60,谢谢大家!,