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1、计算机控制技术,第四章 模拟量输入/输出 通道接口技术,本章主要内容： 1、多路开关与采样-保持器 2、D/A转换器及其接口技术 3、A/D转换器及其接口技术,引言：在工业生产过程中，存在大量连续变化的物理量，称之为模拟量。模拟量反映系统的工作状态，或作为执行机构的控制量。 而计算机能处理的数据只能为数字量。 见下图典型微机控制系统的组成 （模拟量、开关量、数字量的区别比较） A/D转换器为模拟量输入通道的核心部件 D/A转换器为模拟量输出通道的核心部件 同时还涉及多路或多种参数的采集和控制问题。,典型微机控制系统的组成,一、多路开关与采样-保持器 （一）多路开关 1、多路开关的功能、特点 微
2、机运行速度很快，相对而言，一般模拟量为缓变信号。可用一台微机对多路或多种参数进行采集和控制，一台微机供十几甚至几十个回路使用。而一台微机系统在某一时刻只能接通处理一个通道的信号，多参数需被分时进行采样和控制，必须使用多路开关（或反多路开关）进行切换。 多路开关把多个模拟量参数分时地接通。 输入通道时，多路参数共用一个A/D转换器，完成多到一的转换。称多路开关。 输出通道时，由D/A转换成的模拟信号按一定顺序输出到多个控制回路，实现一到多的转换。称反多路开关，或多路分配器。,这类芯片种类很多，有8路、16路等，有单向、双向之分。 半导体多路开关，其导通、关断转换速度快；无机械磨损，寿命长；内部带
3、有通道选择译码器，使用方便。 多路开关广泛应用于计算机控制和数据采集系统中。 2、多路开关CD4051的简介 以单端8通道多路开关CD4051为例说明以下多路开关芯片。 三个通道选择输入端C、B、A；一个禁止输入端INH，INH=“0”（即Vss）时，被选中通道接通，允许模拟量输入。 参见CD4051的原理电路图。 实际应用中，被测参数太多时，使用一个多路开关不能满足通道数的要求，可把多路开关进行扩展。例如两个8通道多路开关构成16通道的多路开关。,（二）采样-保持器 输入通道中，A/D转换时要求保持待转换值不变，转换结束时又能跟踪输入信号的变化。输出通道中，为使得到一个相对平滑的模拟输出量，
4、也要求保持一个恒定值。 能完成上述功能的器件为采样-保持器（简写为S/H）。 S/H的主要用途。 S/H的两种工作状态为：一种为采样方式，一种为保持方式。 最常见的S/H芯片有：美国AD公司的AD582、AD585等。,二、模拟量输出通道的接口技术 模拟量输出通道主要完成数字量到模拟量的转换（D/A转换）。模拟量输出通道以D/A转换器为核心器件。 （一）D/A转换器的主要技术指标： （1）分辨率 常用数字量的位数来表示 分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述, 与输入数字量的位数有关。如果数字量的位数为n, 则D/A转换器的分辨率为 2-n。 （2）转换精度 （3）转换速度 通常以建立
5、时间来表明转换速度。建立时间是描述D/A转换速度的一个参数, 具体是指从输入数字量变化到输出达到终值误差1/2LSB（最低有效位）时所需的时间。 （4）输出电平 电平范围有05V，010V，2.5V，5V，10V等。有单极性输出和双极性输出。 （5）温度系数,（二）D/A转换原理 D/A转换器种类繁多，但其转换的基本原理是相同的，应用电阻解码网络进行，对二进制数的按权转换和叠加求和得到与数字信号成正比的电流量。 以下以R-2R T形电阻网络为例说明。,T型网络D/A转换器,解码网络为DAC的主要部件，DAC中还具有数字量的数据缓冲器、数据锁存器、电子模拟开关等，完成采样、保持、多路开关的功能，
6、有时有运放把模拟电流转换为相应的电压信号。,（三）典型D/A转换器DAC0832简介 DAC0832为美国数据公司的8位D/A转换器。它内部具有两级输入数据缓冲器和一个R-2R T形电阻网络。20引脚双列直插式集成电路芯片。 引脚功能介绍： （1）CS、WR1、ILE 共同控制输入锁存器； （2）XFER、WR2 共同控制DAC寄存器，当DAC锁存器输出数据入后面的DAC，同时启动一次D/A转换； （3）DI0DI7 为0832的8位二进制输入端； （4）RFB 为DAC的输出增益调整电阻的外接端； （5）VCC、VREF、AGND、DGND （6）IOUT1+IOUT2=常数,DAC0832
7、内部结构框图,DAC0832的引脚排列,0832为电流型的DAC，要求输出量为模拟电压时，需外接I/V转换电路。下图为两级运放组成的模拟电压输出电路。 V01和V02端分别输出单、双极性的模拟电压。若参考电压为+5V，则V01范围为0-5V，V02为-5V+5V。,V01,V02,0832有三种工作方式： （1）直通方式 此时CS、WR1 、WR2 、XFER全接地，为低电平，而ILE为高电平。输入锁存器和DAC寄存器均为直通状态，只要有8位数据输入到DI0DI7，就能直接进行D/A转换。 （2） 单缓冲方式 此时使两个寄存器中的一个处于直通状态，另一个为受控锁存状态。一般让DAC寄存器处于直
8、通状态，而输入锁存器为受控锁存状态。此时可让二级寄存器的控制信号并接，数据只要一写入DAC寄存器，就能进行D/A转换。该方式用得最多。 （3）双缓冲方式 此时单片机要对两个寄存器进行两步操作：先把数据写入输入寄存器，再将输入寄存器中的数据写入DAC寄存器并启动转换。该方式使数据接收和转换异步进行，提高了转换效率，并且实现了多输出通道的D/A转换，可同时对多回路中的多个0832分时输入数据，同时转换成同步模拟信号。,（四）单片机与0832的接口电路 （1） 单缓冲器方式,DAC0832与单片机的单缓冲方式接口电路,执行下面的几条指令就能完成一次D/A转换: MOV DPTR,7FFFH ；指向D
9、AC0832 MOV A,DATA ；数字量装入A MOVX DPTR,A ；完成一次D/A输入与转换 例：产生阶梯波的程序如下: START: MOV A, 00H ;初值 MOV DPTR, 7FFFH ; 0832 的地址送DPTR MOV R1, 0AH ; 台阶数为 10 LP: MOVX DPTR, A ; 送数据至 0832 CALL DELAY ; 10 ms延时 ADD A, 10 ; 台阶增幅 DJNZ R1, LP ; 不到 10 台阶转移 SJMP START ; 产生下一个周期 DELAY为10 ms延时子程序,阶梯波形图,（2） 双缓冲器方式,多路DAC0832同步
10、转换的接口电路,实现两输出通道的D/A转换，对两个0832分时输入数据，同时转换成同步模拟信号。程序如下： MOV DPTR，#0DFFFH ；指向0832（1） MOV A，# data1 MOVX DPTR，A ；data1送0832（1）锁存器 MOV DPTR，#0BFFFH ；指向0832（2） MOV A，#data2 MOVX DPTR，A ；data2送0832（2）锁存器 MOV DPTR，#7FFFH ；指向0832（1）和0832（2）的数据传送端 MOVX DPTR，A ；data1和data2同时送D/A转换器进行转换,三、模拟量输入通道的接口技术 （一）A/D转换器
11、的工作原理 A/D转换器用以实现模拟量向数字量的转换。 转换原理有多种，如计数式、 双积分式、逐次逼近式等。 1、逐次逼近式A/D转换的原理 下图为N位逐次逼近法A/D转换器的原理图,图中DONE为转换结束信号；OE为转换结果输出控制信号。,从结构上看，这种A/D转换器以D/A转换为基础，加上比较器、N位逐次逼近寄存器、置数控制逻辑电路以及时钟等组成。 其转换原理描述说明 经过N次比较N位寄存器的状态就是转换后的数字量数据，可经输出缓冲器读出。 逐次逼近式A/D转换器构成简单，转换速度和精度较高, 应用最广。常用的这种芯片有：ADC0808/0809 型 8 位MOS型A/D转换器等。 2、双
12、积分式A/D转换的原理 双积分式A/D转换器的原理图如下图所示。 从结构上看，双积分式A/D转换器由电子开关、积分器、比较器、计数器、逻辑控制门等部件组成。双积分式A/D转换基于间接测量原理，把被测电压值VX转换成为与之成正比的时间常数，由测时间常数得到未知电压值。 工作原理的描述：一次A/D转换需要两次积分，首先对未知电压正向定时积分，再对基准电压反向定值积分，积分输出过零时即停止，由定时器计数反向积分时间T1，与VX成正比。,双积分式A/D转换原理图,双积分法的特点时：精度高，抗干扰能力强，转换速度较慢 。 该类芯片如：MC14433等应用较广。,（二）A/D转换器的主要技术指标： （1）
13、分辨率 常用数字量的位数来表示 分辨率是A/D转换器对输入量变化敏感程度的描述, 与输入数字量的位数有关。如果数字量的位数为n, 则A/D转换器的分辨率为 2-n。 量化误差不可避免存在。 （2）转换精度 （3）转换速度 完成一次A/D转换所需时间 （4）量程 输入电压有单极性和双极性，05V，010V，2.5V，5V，10V等。 （5）温度系数,（三） 典型A/D转换器芯片ADC0809 简介,ADC0809的内部结构,ADC0809引脚图,ADC0809是逐次逼近式8位ADC。 内部结构：有地址锁存译码器；片内有8路模拟开关，可同时对8路模拟量分时转换；8位ADC；三态输出缓冲器等。 共有
14、28个引脚，各引脚功能介绍 数据线 地址线 控制线,地址码与输入通道的对应关系,0809的引脚START为高电平时，可启动A/D转换；引脚EOC可输出转换完成信号，可用于单片机的查询或申请中断；引脚OE为ADC的数据输出允许信号线。 当ADDC、ADDB、ADDA为000时，选中IN0模拟通道；为001时，选中IN1；为010时，选中IN2；,（四）ADC0809与8031 的接口电路,1、延时方式,ADC0809延时方式硬件接口,该处引脚需上下调换,下面的程序是采用延时方法, 分别对 8 路模拟信号轮流采样一次, 并依次把结果转存到数据存储区（首地址为”data”）的采样转换程序。,MOV
15、R1, data ; 置数据区首址 MOV DPTR, 7FF8H ; P2.7=0, 指向通道 0 MOV R7, 08H ; 置通道数 LP1: MOVX DPTR, A ; 启动A/D转换 MOV R6, 0AH ; 软件延时 DALY: NOP NOP NOP,NOP NOP DJNZ R6, DALY；为延时方式 MOVX A, DPTR ; 读取转换结果 MOV R1, A ; 存储数据 INC DPTR ; 指向下一个通道 INC R1 ; 修改数据区指针 DJNZ R7, LP1 ; 8 个通道全采样完了吗?,2. 查询方式,ADC0809 查询方式硬件接口,P1.7,P2.7
16、,该处引脚需上下调换,这里将ADC0809 作为一个外部扩展的并行I/O口, 直接由8031的P2.0和WR脉冲进行启动。模拟量输入通道选择端ADD A、ADD B、ADD C分别与8031的P0.0、 P0.1、P0.2 直接相连，如端口0地址为7FF8H。CLK由8031的ALE提供。用查询方式依次读取07通道的转换结果的数字量，分别存储入DATA地址开始的片内RAM中。 能完成以上功能的程序段如下:,MOV R0，#DATA MOV R1，#08H MOV DPTR，#7FF8H LOOP2： MOVX DPTR，A LOOP0：JB P1.7，LOOP0 LOOP1：JNB P1.7，LOOP1 MOVX
