第8章模拟量的输入输出

1、18.1 模拟量输入输出接口主要内容：主要内容：n模拟量输入输出通道的组成模拟量输入输出通道的组成nD/A转换器的工作原理、连接及编程转换器的工作原理、连接及编程nA/D转换器的工作原理、连接及编程转换器的工作原理、连接及编程2一、模拟量输入输出通道n模拟量的输入通道：模拟量的输入通道： 将工业现场的模拟信号或非电的物理信号转换为将工业现场的模拟信号或非电的物理信号转换为 计算机的标准输入信号计算机的标准输入信号 数据采集数据采集n模拟量的输出通道模拟量的输出通道 将计算机输出的数字信号转换为模拟量以驱动生将计算机输出的数字信号转换为模拟量以驱动生 产现场的执行器件产现场的执行器件 过程控制过

2、程控制3模拟量I/O通道的组成：模拟接口电路的任务模拟接口电路的任务模拟电路的任务模拟电路的任务0010110110101100工工业业生生产产过过程程传传感感器器放大放大滤波滤波多路转换多路转换&采样保持采样保持A/D转换转换放大放大驱动驱动D/A转换转换输出输出接口接口微微型型计计算算机机执行执行机构机构输入输入接口接口物理量物理量变换变换信号信号处理处理信号信号变换变换I/O接口接口输入通道输入通道输出通道输出通道4模拟量I/O接口模拟量模拟量D/A传感器传感器执行元件执行元件A/D数字量数字量数字量数字量模拟量模拟量模拟量输入模拟量输入(数据采集数据采集)模拟量输出模拟量输出(

3、过程控制过程控制)计算机计算机5二、数/模（D/A）变换器掌握：掌握：nD/A变换器的工作原理变换器的工作原理nD/A变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标nDAC0832的三种工作模式的三种工作模式nDAC0832的应用的应用61. D/A变换器的基本构成 模拟开关模拟开关 电阻网络电阻网络 运算放大器运算放大器权电阻网络权电阻网络R-2R梯形电阻网络梯形电阻网络VrefRf 模拟开关模拟开关电阻网络电阻网络VO数字量数字量72. 基本变换原理 n运放的放大倍数足够大时，输出电压运放的放大倍数足够大时，输出电压VO与输入与输入电压电压Vin的关系为：的关系为：ViRf VOR fOinRV

4、= -VR8基本变换原理n若输入端有若输入端有n个支路个支路, 则输出电压则输出电压VO与输入电与输入电压压Vi的关系为：的关系为：n0fini=1i1V = -RVRViRf VOR1Rn9基本变换原理n令每个支路的输入电阻为令每个支路的输入电阻为2iR，并令基准电压，并令基准电压Vref =（Rf/Ri）Vi，则有，则有nn0frefrefiii=1i=1f11V = -RV= -V2 R210基本变换原理n如果每个支路由一个开关如果每个支路由一个开关Si控制，控制，Si=1表示表示Si合上，合上，Si=0表示表示Si断开，则上式断开，则上式变换为变换为n0irefii=11V = -SV

5、2若若Si=1,该项对该项对VO有贡献；若有贡献；若Si=0,该项对该项对VO无贡献无贡献11权电阻网络：2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8这里，上式中的这里，上式中的n=812基本变换原理n如果用如果用8位二进制代码来控制图中的位二进制代码来控制图中的S1 S8 (Di=1时时Si闭合；闭合；Di=0时时Si断开断开)，则不同的二进制则不同的二进制代码就对应不同输出电压代码就对应不同输出电压VO；n当代码在当代码在0FFH之间变化时，之间变化时，VO相应地在相应地在0-(255/256)Vref之间变化；之间变化；n为控制电阻网络

6、各支路电阻值的精度，实际的为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用转换器采用R-2R梯形电阻网络，它只用两梯形电阻网络，它只用两种阻值的电阻种阻值的电阻(R和和2R)。133. 主要技术指标 n分辨率（分辨率（Resolution） 输入的二进制数每输入的二进制数每1个最低有效位个最低有效位 (LSB)使输出变化的程度。使输出变化的程度。n可用输入数字量的位数来表示，如可用输入数字量的位数来表示，如8位、位、10位等；也可用一个位等；也可用一个LSB 使输出变化的程度来使输出变化的程度来表示。表示。nLSB Least Significant BitLSB Least Sign

7、ificant Bit14分辩率n一个满量程为一个满量程为5V的的10位位D/A变换器，变换器，1 LSB的变化将使输出变化的变化将使输出变化 5/(210-1) = 5/1023 = 0.04888V = 48.88mV15转换精度（误差）实际输出值与理论值之间的最大偏差实际输出值与理论值之间的最大偏差n可用最小量化阶可用最小量化阶来度量：来度量： =1/2 LSB1/2 LSBn也可用满量程的百分比来度量：也可用满量程的百分比来度量： 如如0.05% FSR0.05% FSR(FSR-Full Scale Range)16转换时间n从开始转换到与满量程值相差从开始转换到与满量程值相差1/2

8、 LSB1/2 LSB所对所对应的模拟量所需要的时间。应的模拟量所需要的时间。tV1/2 LSBtCVFULL174. DAC0832特点：特点：n8位电流输出型位电流输出型D/A转换器转换器nT型电阻网络型电阻网络n差动输出差动输出18DAC0832的内部结构：19主要引线功能输入寄存器控制信号：输入寄存器控制信号：nD7D0：输入数据线：输入数据线nILE：输入锁存允许：输入锁存允许nCS：片选信号：片选信号nWR1：写输入锁存器：写输入锁存器20主要引线功能用于用于DAC寄存器的控制信号：寄存器的控制信号：nWR2：写：写DAC寄存器寄存器nXFER：允许输入锁存器的数据传送到：允许输入

9、锁存器的数据传送到DAC寄存器寄存器21主要引线功能其它引线：其它引线：nVREF：参考电压。：参考电压。 -10V+10V，一般为，一般为+5V或或+10VnIOUT1、IOUT2： D/A转换差动电流输出。转换差动电流输出。 用于连接运算放大器的输入用于连接运算放大器的输入nRfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出内部反馈电阻引脚，接运放输出nAGND、DGND：模拟地和数字地模拟地和数字地 22工作时序写输入写输入寄存器寄存器写写DAC寄存器寄存器23工作模式n单缓冲模式单缓冲模式n双缓冲模式双缓冲模式n无缓冲模式无缓冲模式24单缓冲模式n使输入锁存器或使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于

10、直通，寄存器二者之一处于直通，即芯片只占用一个端口地址。即芯片只占用一个端口地址。nCPU只需一次写入即开始转换。写入数据的程只需一次写入即开始转换。写入数据的程序为：序为： MOV DX，PORT MOV AL，DATA OUT DX，AL25双缓冲模式（标准模式）n对输入寄存器和对输入寄存器和DAC寄存器均需控制；寄存器均需控制；n当输入寄存器控制信号有效时，数据写入输入寄存当输入寄存器控制信号有效时，数据写入输入寄存器中；再在器中；再在DAC寄存器控制信号有效时，数据才写寄存器控制信号有效时，数据才写入入DAC寄存器，并启动变换；寄存器，并启动变换；n此时芯片占用两个端口地址；此时芯片占

11、用两个端口地址；n优点：数据接收与优点：数据接收与D/A转换可异步进行；转换可异步进行； 可实现多个可实现多个DAC同步转换输出同步转换输出n特点：特点：分时写入、同步转换分时写入、同步转换26双缓冲模式同步转换例27双缓冲模式的数据写入程序MOV AL，data MOV DX，port1 0832-1的输入寄存器地址的输入寄存器地址OUT DX，ALMOV DX，port2 0832-2的输入寄存器地址的输入寄存器地址OUT DX，AL MOV DX，port3 DAC寄存器地址寄存器地址OUT DX，AL HLT28无缓冲器模式n使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟使内部的两个寄存器都处

12、于直通状态。模拟输出始终跟随输入变化。输出始终跟随输入变化。n不能直接与数据总线连接，需外加并行接口不能直接与数据总线连接，需外加并行接口(如如74LS373、8255等等)。295. D/A转换器的应用信号发生器信号发生器 用于闭环控制系统用于闭环控制系统向向D/A转换器写入某种按规转换器写入某种按规律变化的数据，即可在输出律变化的数据，即可在输出端获得相应的各种波形端获得相应的各种波形30三、模/数（A/D）转换器主要内容：主要内容：nA/D转换器的一般工作原理；转换器的一般工作原理；nA/D转换器的主要技术指标；转换器的主要技术指标；nA/D转换器的应用转换器的应用与系统的连接与系统的连

13、接数据采集程序的编写数据采集程序的编写311. A/D转换器用途n用于将连续变化的模拟信号转换为数字信用于将连续变化的模拟信号转换为数字信号的装置，简称号的装置，简称ADC，是模拟系统与计算是模拟系统与计算机之间的接口部件。机之间的接口部件。322. A/D转换器类型n计数型计数型A/D转换器转换器 速度慢、价格低，适用于慢速系统速度慢、价格低，适用于慢速系统n双积分型双积分型A/D转换器转换器 分辩率高、抗干扰性好、转换速度慢，适用于中速系统分辩率高、抗干扰性好、转换速度慢，适用于中速系统n逐位反馈型逐位反馈型A/D转换器转换器 转换精度高、速度快、抗干扰性差转换精度高、速度快、抗干扰性差3

14、3逐位反馈型A/D转换器D/A+ +- -V Vi i比较器逐次变换寄存器SAR 数字量输出时序及控制逻辑 VC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343. 主要技术指标n转换精度转换精度 量化误差量化误差 非线性误差非线性误差 其它误差其它误差n总误差总误差=各误差的均方根各误差的均方根影响精度的误差影响精度的误差35量化间隔n一个最低有效位对应的模拟量，即一个最低有效位对应的模拟量，即 =Vmax /（2n-1）n例：某例：某8位位ADC的满量程电压为的满量程电压为5V，则其分，则其分辨率为：辨率为

15、： 5V/255=19.6mV36量化误差n绝对量化误差绝对量化误差=1/2 n相对量化误差相对量化误差=（1/2） 1LSB 100%37量化误差n例：例： 设满量程电压设满量程电压=10V， A/D变换器位数变换器位数=10位，则：位，则： 绝对量化误差绝对量化误差 10/211 = 4.88mV 相对量化误差相对量化误差 1/211 *100% = 0.049%38转换时间n实现一次转换需要的时间实现一次转换需要的时间n精度越高（字长越长），转换速度越慢。精度越高（字长越长），转换速度越慢。39输入动态范围n允许转换的电压的范围允许转换的电压的范围 如如05V、010V等。等。404.

16、ADC0809n8通道（通道（8路）输入路）输入n8位字长位字长 n逐位逼近型逐位逼近型n转换时间转换时间100s n内置三态输出缓冲器内置三态输出缓冲器41主要引脚功能nD7D0：输出数据线（三态）：输出数据线（三态）nIN0IN7：8通道（路）模拟输入通道（路）模拟输入nADDA、ADDB、ADDC：通道地址：通道地址nALE：通道地址锁存：通道地址锁存nSTART：启动转换：启动转换nEOC：转换结束状态输出：转换结束状态输出nOE：输出允许（打开输出三态门）：输出允许（打开输出三态门）nCLK：时钟输入（：时钟输入（10KHz1.2MHz）42START EOC CLK OED7D0V

17、REF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比较器比较器8路模路模拟开拟开关关逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器SAR树状开关树状开关电阻网络电阻网络三态三态输出输出锁存锁存器器时序与控制时序与控制地址地址锁存锁存及及译码译码D/A8个个模模拟拟输输入入通通道道8选选1内部结构：43工作时序启动启动地址地址锁存锁存ADDA-ADDCADDA-ADDCALE/STARTALE/STARTEOCEOCOEOED D0-0-D D7 7转换时间转换时间44ADC0809工作过程n送通道地址，以选择要转换的模拟输入；送通道地址，以选择要转换的模拟输入；n锁存通道地址到内部地址锁存器

18、；锁存通道地址到内部地址锁存器；n启动启动A/D变换；变换；n判断转换是否结束；判断转换是否结束；n读转换结果读转换结果45ADC0809的应用n芯片与系统的连接芯片与系统的连接n编写相应的数据采集程序编写相应的数据采集程序46芯片与系统的连接模拟输入端模拟输入端Ini ：单路输入时单路输入时ADDCADDBADDAIN4ADC0809输入输入多路输入时多路输入时ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输入输入0输入输入1输入输入2输入输入3输入输入4CPU指定指定通道号通道号+5V47通道地址线的连接n多路输入时，地址线不能接死，要通过一个接口芯多路输入时，地址线

19、不能接死，要通过一个接口芯片与数据总线连接。片与数据总线连接。n接口芯片可以选用：接口芯片可以选用： 简单接口芯片简单接口芯片74LS273，74LS373等等（占用一个占用一个I/O地址地址） 可编程并行接口可编程并行接口8255（占用四个占用四个I/O地址地址）48通道地址线的连接ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输输入入DB74LS273Q2Q1Q0CP来自来自I/O译码译码D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#来自来自I/O译码译码D0-D7A1A0A1A049数据输出线的连接n可直接连到可直接连到DB上，或通过另外一个输入接口与上，或通过另外一个输入接口与DB相连；相连；n两种方法均需占用一个两种方法均需占用一个I/O地址地址D0-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译码译码D0-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译码译码直接连直接连DB通过输入接口连通过输入接口连DB74LS244+5VDIDOE1#E2#50ALE和START端的连接n独立连接：独立连接：用两个信号分别进行控制，需占用两个用两个信号分别进行控制，需占用两个I/O端口端口 或两个或两个I/O线；线；n统