模拟量的输入输出

1、12 2第8章 节 目 录n8.1 模拟量的输入输出通道n8.2 数/模（D/A）转换器n8.3 模/数（A/D）转换器3 3第8章作业n8.10; n8.144 4 l模拟量I/O接口的作用：l实际工业生产环境实际工业生产环境连续变化的模拟量连续变化的模拟量 l例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量 l计算机内部计算机内部离散的数字量离散的数字量l二进制数、十进制数二进制数、十进制数l工业生产过程的闭环控制工业生产过程的闭环控制 概 述 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

2、采集数据采集)模拟量输出模拟量输出(过程控制过程控制)计算机计算机5 5 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0010110110101100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接口整形滤波6 6模拟量输入通道l传感器（Transducer）l 非电量非电量电压、电流电压、电流 l变送器（Transformer）l 转换成标准的电信号转换成标准的电信号l信号处理（Signal Processing）l 放大、整形、滤波放大、整形、滤波 l多路转换开关（Mult

3、iplexer） l 多选一多选一l采样保持电路（Sample Holder，S/H）l 保证变换时信号恒定不变保证变换时信号恒定不变lA/D变换器（A/D Converter）l 模拟量转换为数字量模拟量转换为数字量 7 7模拟量输出通道lD/A变换器（D/A Converter）l 数字量转换为模拟量数字量转换为模拟量l低通滤波l 平滑输出波形平滑输出波形l放大驱动l 提供足够的驱动电压，电流提供足够的驱动电压，电流8 88.2 数/模（D/A）变换器8.2.1 D/A变换器的技术指标1个最低有效位个最低有效位(LSB)9 9D/A转换器的主要技术指标1010tV1/2 LSBtCVFUL

4、LD/A转换器的主要技术指标11118.2.2 典型D/A转换器lDAC0832l 8位电流输出型位电流输出型D/A转换器转换器l T型电阻网络型电阻网络l 差动电流输出差动电流输出1212DAC0832内部结构内部结构1313引脚功能引脚功能lD7D0：输入数据线：输入数据线lILE：输入锁存允许：输入锁存允许l/CS：片选信号：片选信号l/WR1：写输入锁存器：写输入锁存器 上述三个信号用于把上述三个信号用于把数据写入到输入锁存器数据写入到输入锁存器l/WR2：写：写DAC寄存器寄存器l/XFER：允许输入锁存器的数据传送到：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器寄存器 上述二个信号用于上

5、述二个信号用于启动转换启动转换lVREF：参考电压，：参考电压，-10V+10V，一般为，一般为+5V或或+10VlIOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入转换差动电流输出，接运放的输入lRfb：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lAGND、DGND：模拟地和数字地：模拟地和数字地 1414工作时序l D/A转换可分为两个阶段：l/CS=0、/WR1=0、ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器；，使输入数据锁存到输入寄存器；l/WR2=0、/XFER=0，数据传送到，数据传送到DAC寄存器，并开始转换。寄存器，并开始转换。写输入写输入寄存器寄存器写写

6、DAC寄存器寄存器1515工作方式l单缓冲方式l 使输入锁存器或使输入锁存器或DAC寄存器二者寄存器二者之一处于直通。之一处于直通。l CPU只需一次写只需一次写入即开始转换。入即开始转换。控制比较简单。控制比较简单。1616l 双缓冲方式（标准方式）l 转换要有两个步骤：转换要有两个步骤：l 将数据写入将数据写入输入寄存器输入寄存器l /CS=0、/WR1=0、ILE=1l 将输入寄存器的内容写入将输入寄存器的内容写入DAC寄存器寄存器l /WR2=0、/XFER=0 l 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

7、出分时写入分时写入、同步转换同步转换171718181919双缓冲方式双缓冲方式同步转换举例同步转换举例A10-A0译码器译码器0832-10832-2port1port2port32020双缓冲方式的程序段示例MOV AL，data1 ; 要转换的数据送ALMOV DX，port1 ; 0832-1的输入寄存器地址送DXOUT DX，AL ; 数据送0832-1的输入寄存器MOV AL，data2 ; 要转换的数据送ALMOV DX，port2 ; 0832-2输入寄存器地址送DXOUT 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DXO

8、UT DX，AL ; 数据送DAC寄存器，并启动同步转换HLT2121002222D/A转换器的应用l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。l直流电机的转速控制。23232424 MOD DX，278H MOV AL，0NEXT：OUT DX，AL DEC AL JMP NEXT反向锯齿波反向锯齿波正向锯齿波？正向锯齿波？25258.3 模/数（A/D）转换器l用途l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。l类型l计数型A/D变换器l双积分型A/D变换器l逐位反馈型逐位反馈

9、型A/D变换器变换器 26268.3.1 工作原理及技术指标2727主要技术指标l精度 l量化间隔量化间隔(分辨率分辨率) = Vmax/电平数电平数(即满量程值即满量程值) l例：某例：某8位位ADC的满量程电压为的满量程电压为5V，则其分辨，则其分辨率为率为 5V/255=19.6mV l量化误差量化误差: 用数字（离散）量表示连续量时，由用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量于数字量字长有限字长有限而无法精确地表示连续量所造而无法精确地表示连续量所造成的误差。成的误差。(字长越长，精度越高字长越长，精度越高)2828主要技术指标（续）l转换时间：转换一次需要的时间。精度越高（字转换一次

10、需要的时间。精度越高（字长越长），转换速度越慢。长越长），转换速度越慢。l输入动态范围：允许转换的电压的范围。如允许转换的电压的范围。如05V、010V等。等。l绝对量化误差绝对量化误差 = 量化间隔量化间隔/2 = (满量程电压满量程电压/(2n-1)/2l相对量化误差相对量化误差 = 1/2 * 1/量化电平数目量化电平数目 * 100%l例：满量程电压例：满量程电压=10V，A/D变换器位数变换器位数=10位，位，则则 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%2929典型的A/D转换器简介l ADC080

11、9l8通道（8路）输入l8位字长 l逐位逼近型l转换时间100s l内置三态输出缓冲器3030引脚功能 lD7D0：输出数据线（三态）lIN0IN7：8通道（路）模拟输入lADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道选择）lALE：通道地址锁存lSTART：启动转换lEOC：转换结束，可用于查询或作为中断申请lOE：输出允许（打开输出三态门）lCLK：时钟输入（10KHz1.2MHz）lVREF(+)、VREF(-)：基准参考电压3131ADC0809内部结构内部结构START EOC CLK OED7D0VREF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比较器比较器8路

12、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13232工作时序 启动地址锁存ADDA ADDCALE/STARTEOCOED0 D7 转换时间3333ADC0809的工作过程n根据时序图，ADC0809的工作过程如下： 把通道地址送到ADDAADDC上上，选择模拟输入； 在通道地址信号有效期间，ALE上的上升沿上升沿将该地址锁存到内部地址锁存器； START引脚上的下降沿下降沿启动A/D变换； 变换开始后，EOC引脚呈现低电平， EOC重

13、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 。3434ADC0809与系统的连接 l 模拟输入端INil单路输入单路输入l模拟信号可固定连接到任何一模拟信号可固定连接到任何一个输入端个输入端l地址线根据输入线编号固定连地址线根据输入线编号固定连接接(高电平或低电平高电平或低电平)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ADDCADDBADDAIN4ADC0809+5Vl多路输入l模拟信号按顺序分别连模拟信号按顺序分别连接到输入端接到输入端l要转换

14、哪一路输入，将要转换哪一路输入，将其编号送到地址线上其编号送到地址线上(动动态选择态选择)3535l地址线ADDA-ADDCl多路输入时，通过一个接口芯片与数据总线连接。接口多路输入时，通过一个接口芯片与数据总线连接。接口芯片可以选用：芯片可以选用：l锁存器锁存器74LS273，74LS373等（要占用一个等（要占用一个I/O地址）地址）l可编程并行接口可编程并行接口8255（要占用四个（要占用四个I/O地址）地址）lCPU用一条用一条OUT指令把通道地址通过接口芯片送给指令把通道地址通过接口芯片送给0809ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输输入入DB74L

15、S273Q2Q1Q0CP来自来自I/O译码译码D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0/CS来自来自I/O译码译码D0-D7A1A0A1A03636l数据输出线D0-D7l内部已接有三态门，故可直接连到内部已接有三态门，故可直接连到DB上上l也可另外通过一个输入接口与也可另外通过一个输入接口与DB相连相连上述两种方法均需占用一个上述两种方法均需占用一个I/O地址地址D0-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译码译码直接连直接连DBD0-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译码译码通过输入接口连通过输入接口连DB74LS

16、244+5VDIDO/E1/E23737l地址锁存ALE和启动转换STARTl 独立连接独立连接：用两个信号分别进行控制：用两个信号分别进行控制需占用需占用两个两个I/O端口或两个端口或两个I/O线线(用用8255时时)；l 统一连接统一连接：用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁：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存，下降沿实现启动转换只需占用一个只需占用一个I/O端端口或一个口或一个I/O线线(用用8255时时) 。 ADC0809ALESTART独立连接独立连接来自来自I/O译码译码1来自来自I/O译码译码2ADC0809ALESTART统一连接统一连接来自来自I/O译码译码3838 l转换结束信号EOCl软件延时等待软件延时等待(比如延时比如延时1ms)不用不用EOC信号信号lCPU效率最低效率最低l软件查询软件查询