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1、第8章 模拟量的输入输出,主要内容,模拟量输入输出通道的组成 D/A转换器 原理及连接使用方法 A/D转换器 原理及连接使用方法,模拟量I/O接口的作用： 实际工业生产环境连续变化的模拟量 如电压、电流、压力、温度、位移、流量 计算机内部离散的数字量 二进制数、十进制数 工业生产过程的闭环控制,概述,模拟量,计算机,D/A,传感器,执行元件,A/D,数字量,数字量,模拟量,模拟量输入 (数据采集),模拟量输出 (过程控制), 8.1 模拟量I/O通道的组成,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
2、,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,8.1.1 模拟量的输入通道,传感器（Transducer） 非电量电压、电流 变送器（Transformer） 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,8.1.2 模拟量的输出通道,D/A变换器（
3、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, 8.2 数/模（D/A）变换器,D/A变换器的基本原理及技术指标 典型的D/A转换器芯片及其与系统的连接, 8.2.1 D/A变换器的基本原理及技术指标,组成： 模拟开关、电阻网络、运算放大器 电阻网络分为：权电阻网络、R-2R梯形电阻网络 基本结构图：,D/A变换原理,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： 其中：Rf为反馈电阻，R 为输入电阻,D/A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： 其中： Ri 为第i支路的输 入电阻,D
4、/A变换原理,令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一基准电压Vref，则有 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VO无贡献,与上式相对应的电路如下(图中n=8)：,D/A变换原理,D/A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)，那么根据二进制代码的不同，输出电压VO也不同，这就构成了8位的D/A转换器。 可以看出，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
5、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)。,R-2R梯形电阻网络,D/A转换器的主要技术指标,分辨率（Resolution） 转换精度（误差） 转换时间,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。 一般用输入数字量的位数来表示: 如8位、10位 例：一个满量程为5V的10位DAC，1 LSB的变化将使输出变化 5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV,转换精度（误差）,实际输出值与理论值之间的最大偏差。 一般用最小量化阶来度量 如1/2 LSB(LSB-Least Significan
6、t Bit, FSR-Full Scale Range) 也可用满量程的百分比来度量 如0.05% FSR,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,转换时间, 8.2.2 典型D/A转换器芯片及其与系统的连接,DAC0832特性： 8位电流输出型D/A转换器 T型电阻网络 差动输出,DAC0832内部结构,引脚功能,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 上述三个信号用于把数据写入到输入锁存器 WR2#：写DAC寄存器 XFER#：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器 上述二个信号用于启动转换 VREF：参考电压，-1
7、0V+10V，一般为+5V或+10V IOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入 Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出 AGND、DGND：模拟地和数字地,工作时序,D/A转换分为两个阶段： CS#=0、WR1#=0、ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器； WR2#=0、XFER#=0，数据传送到DAC寄存器，并开始转换。,写输入寄存器,写DAC寄存器,工作方式,单缓冲方式 使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通。 双缓冲方式（标准方式） 将数据写入输入寄存器， CS#=0、WR1#=0、ILE=1 将输入寄存器的内容写入DAC寄存器， WR2#=0、XFER#=0 直
8、通方式 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。,CPU只需一次写入即开始转换，控制比较简单。,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,不能直接与数据总线连接，需外加并行接口(如74LS373、8255等)。,双缓冲方式同步转换举例,A10-A0,译码器,0832-1,0832-2,port1,port2,port3,三个端口地址的用途： port1 选择0832-1的输入寄存器 port2 选择0832-2的输入寄存器 port3 选择0832-1和0832-2的DAC寄存器 MOV AL，data ; 要转换的数据送AL MOV
9、 DX，port1 ; 0832-1的输入寄存器地址送DX OUT DX，AL ; 数据送0832-1的输入寄存器 MOV DX，port2 ; 0832-2输入寄存器地址送DX OUT DX，AL ; 数据送0832-2的输入寄存器 MOV DX，port3 ; DAC寄存器端口地址送DX OUT DX，AL ; 数据送DAC寄存器，并启动同步转换 HLT,D/A转换器的应用,函数发生器 只要往D/A转换器写入按规律变化的数据，即可在输出端获得正弦波、三角波、锯齿波、方波、阶梯波、梯形波等函数波形。 直流电机的转速控制。 例子参见p354-p356。, 8.3 模/数（A/D）转换器,用途：
10、 将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便于计算机进行处理。常用于数据采集系统。 如：声音转换成数字信号。 类型： 计数型A/D变换器 双积分型A/D变换器 逐次逼近型A/D变换器, 8.3.1 A/D转换器的工作原理及技术指标,逐次逼近型A/D转换器结构： D/A转换器、比较器、逐次逼近寄存器SAR,工作原理,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。 如：用8个砝码20g，21g，27g，可以称出1255g之间的物体。现有一物体，用砝码称出其重量（假定重量为176g）。 具体过程： ADC从高到低逐次给SAR的每一位“置1”（即加上不同权重的砝码），SAR相当于放法码的
11、称盘； 每次SAR中的数据经D/A转换为电压VC ； VC与输入电压Vi比较，若VCVi，保持当前位的1，否则当前位置0； 从高到低逐次比较下去，直到SAR的每一位都尝试完； SAR内的数据就是与Vi相对应的2进制数。,主要技术指标,精度 转换时间 输入动态范围,精度,量化间隔(分辨率) = Vmax/电平数(即满量程值) 如：某8位ADC的满量程电压为5V，则其分辨率为: 5V/255=19.6mV 量化误差: 用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量字长有限而无法精确地表示连续量所造成的误差。(字长越长，精度越高) 绝对量化误差 = 量化间隔/2 = (满量程电压/(2n-1)/2 相对量
12、化误差 = 1/2 * 1/量化电平数目 * 100% 如：满量程电压=10V，A/D变换器位数=10 绝对量化误差 10/211 = 4.88mV 相对量化误差 1/211 *100% = 0.049%,转换时间,转换一次需要的时间。精度越高（字长越长），转换速度越慢。,输入动态范围,允许转换的电压的范围。 如05V、-5V+5V、 010V等。,典型的A/D转换器简介,ADC0809特性： 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（可直接接到数据总线上）,引脚功能,D7D0：输出数据线（三态） IN0IN7：8通道（路）模拟输入 ADDA、ADDB、A
13、DDC：通道地址（通道选择） ALE：通道地址锁存 START：启动转换 EOC：转换结束，可用于查询或作为中断申请 OE：输出允许（打开输出三态门） CLK：时钟输入（10KHz1.2MHz） VREF(+)、VREF(-)：基准参考电压,ADC0809内部结构,工作时序,ADC0809的工作过程,把通道地址送到ADDAADDC上，选择一个模拟输入端； 在通道地址信号有效期间，ALE上的上升沿使该地址锁存到内部地址锁存器； START引脚上的下降沿启动A/D变换； 变换开始后，EOC引脚呈现低电平， EOC重新变为高电平时表示转换结束； OE信号打开输出锁存器的三态门送出结果 。,ADC08
14、09与系统的连接,模拟输入端INi 地址线ADDA-ADDC 数据输出线D0-D7 地址锁存信号ALE和启动转换信号START 转换结束EOC,模拟输入端INi,单路输入 模拟信号可连接到任何一个输入端； 地址线可根据输入固定连接；也可以由CPU给一个固定地址。 多路输入 模拟信号按顺序分别连接到输入端； 要转换哪一路输入，就将其编号送到地址线上(动态选择)。,单路输入时,ADDC ADDB ADDA,IN4,ADC0809,输入,多路输入时,ADDC ADDB ADDA,IN0 IN1 IN2 IN3 IN4,ADC0809,输入0 输入1 输入2 输入3 输入4,CPU指定 通道号,+5V
15、,地址线ADDA-ADDC,多路输入时，地址线不能固定连接到5V或地线，而是要通过一个接口芯片与数据总线连接。接口芯片可以选用： 锁存器74LS273，74LS373等（要占用一个I/O地址 可编程并行接口8255（要占用四个I/O地址） CPU用一条OUT指令把通道地址通过接口芯片送给ADC0809,数据输出线D0-D7,内部已接有三态门，可直接连到DB上 也可另外通过一个外部三态门与DB相连 上述两种方法均需占用一个I/O地址,地址锁存信号ALE和启动转换信号START,分别连接： 用两个信号分别进行控制需占用两个I/O端口或两个I/O线(用8255时)； 统一连接： 用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁存，下降沿实现启动转换只需占用一个I/O端口或一个I/O线(用8255时)，参见教材p362图。,转换结束EOC,软件延时等待不用EOC信号 CPU效率最低，只能按最大转换时间延时 简单，容易实现 软件查询EOC状态 EOC通过一个三态门连到数据总线的D0(或D1、D2等) 三态门要占用一个I/O端口地址 CPU效率低 把EOC作为中断申请信号，向CPU申请中断 在中断服务程序中读入转换结果，效率高,ADC0809举例,D0,IN0,A15-A0,D7-D0,D7-D0 EOC OE START ALE ADDC ADDB ADDA,译 码 器,ADC0809,IOR
