第8章模拟量的输入输出

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、连接及编程转换器的工作原理、连接及编程8.1 测控通道结构 n测控通道的输入测控通道的输入/输出有模拟信号和离散信号输出有模拟信号和离散信号(包括脉冲信号、开关信号和数字包括脉冲信号、开关信号和数字信号信号)之分。离散信号可经简单的数字接口与计算机相连，而模拟信号则必须进之分。离散信号可经简单的数字接口与计算机相连，而模拟信号则必须进行变换：输入的模拟信号经模数转换电路行变换：输入的模拟信号经模数转换电路ADC转换成数字量送

2、入计算机，计算转换成数字量送入计算机，计算机输出的数字信号经数模转换电路机输出的数字信号经数模转换电路DAC转换成模拟量去控制模拟设备。转换成模拟量去控制模拟设备。n8.1.1 检测通道结构检测通道结构n1. 结构框图结构框图n检测通道负责数据采集，其结构如图检测通道负责数据采集，其结构如图8-1所示。所示。n图图(a)是模拟信号检测通道结构框图。是模拟信号检测通道结构框图。n传感器感知、检测被测对象连续变化的物理量，将其转换成连续变化的模拟电传感器感知、检测被测对象连续变化的物理量，将其转换成连续变化的模拟电信号送到下一级。使用不同材料和工艺制作的传感器很多，感知转换的原理也信号送到下一级。

3、使用不同材料和工艺制作的传感器很多，感知转换的原理也各不相同，它们可对各种不同的物理量如温度、湿度、流量、速度、压力、位各不相同，它们可对各种不同的物理量如温度、湿度、流量、速度、压力、位移、角度移、角度直到各种生理指标、色谱分析、辐射状况等进行感知、量测、传送直到各种生理指标、色谱分析、辐射状况等进行感知、量测、传送。 模拟信号必须用A/D转换器转换成计算机能识别的数字信号。A/D转换的方法和电路很多，性能各异，应根据系统的要求选择合适的A/D转换器。A/D转换器一般要求输入电压信号，若传感器送出的是电流信号则要先进行电流-电压（I-V）变换；对微弱信号要由高精度、高开环增益的运算放大器进行

4、放大，接着进行“信号调理”，把对应满量程的输入信号放大到规定幅度，再由增益放大器放大以达到A/D转换器满量程输入时的幅度要求。在干扰较大的现场，可采用线性隔离放大器或线性光电隔离器去除干扰，但这两种电路的响应频率不高，仅适用于低频场合。6A/D转换需要一定的时间，高速模拟输入信号在A/D转换期间其值可能已发生很大变化，因此必须用采样-保持（S-H）电路把采样时刻模拟量的值保持住（不再变化），直到转换完毕；然后更新采样值，进行下一次转换。当有多个模拟信号输入时，为了能共用S-H电路、A/D转换器和微机，使用多路转换开关，可分时地接通多个不同的信号源，进行放大、采样、转换和计算机处理。在图(a)中

5、，多路开关之后是各个输入模拟通道的公共部分。图(b)是离散信号检测通道结构框图。检测的是脉冲信号、开关信号或数字信号等离散量，传感器送来的信号经放大整形、电平变换后，通过并行、串行等数字接口送入微机进行处理。 2. 检测通道特点 n检测通道的任务就是对被检测对象进行准确的数据采集。为了测量的可检测通道的任务就是对被检测对象进行准确的数据采集。为了测量的可靠与精确，减少传输过程的干扰和损耗，通常将检测通道和传感器做在靠与精确，减少传输过程的干扰和损耗，通常将检测通道和传感器做在一起，放到被测对象的现场中，使检测通道和计算机系统分开。一起，放到被测对象的现场中，使检测通道和计算机系统分开。n检测对

6、象的多样性和检测环境的复杂性，决定了检测通道的设计丰富多检测对象的多样性和检测环境的复杂性，决定了检测通道的设计丰富多变。使用不同的传感器和变换器，通道的模块结构及信息的传输形式各变。使用不同的传感器和变换器，通道的模块结构及信息的传输形式各不相同。不管什么结构的检测通道，其共同点就是要把被检测的信号准不相同。不管什么结构的检测通道，其共同点就是要把被检测的信号准确地转换成计算机能识别的具有确地转换成计算机能识别的具有TTL电平的数字信号，供计算机处理。电平的数字信号，供计算机处理。n检测结果失准便没有实际意义。由于检测器置于被测对象的现场，容易检测结果失准便没有实际意义。由于检测器置于被测对

7、象的现场，容易受到各种干扰，因此在小信号检测中，抗干扰设计是十分重要的内容。受到各种干扰，因此在小信号检测中，抗干扰设计是十分重要的内容。在信号的识别、放大、传输整个过程中，都要充分注意抗干扰问题。在信号的识别、放大、传输整个过程中，都要充分注意抗干扰问题。 8.1.2 控制通道结构 n1. 结构框图结构框图n控制通道输出控制信号给受控对象，对受控对象实施预期目标的控制。控制通道输出控制信号给受控对象，对受控对象实施预期目标的控制。控制通道的结构如图控制通道的结构如图9-2所示。所示。n若受控装置是离散信号控制的数控装置，计算若受控装置是离散信号控制的数控装置，计算机输出的控制信号通过数字接口

8、经光电隔离和机输出的控制信号通过数字接口经光电隔离和功率放大后直接施控；若受控对象是模拟信号功率放大后直接施控；若受控对象是模拟信号控制的设备，则须经控制的设备，则须经D/A转换后施控；微机经转换后施控；微机经D/A转换器可输出多路控制信号，通过转换器可输出多路控制信号，通过1 TO m的多路转换开关对多个受控对象实施群控。的多路转换开关对多个受控对象实施群控。92. 控制通道特点控制通道特点计算机总线信号为TTL电平，负载能力很小，而受控对象则多种多样，一般要求较大的控制电压或电流。因此，控制通道具有如下特点： n 小信号输入，大功率控制。计算机送来的控制信号必须经功率放大电路不失 真地加以

9、放大，放大到受控对象所要求的电功率，再实施控制。 n有效的抗干扰措施。受控对象一般是强电磁部件，例如电机使用的电磁启动 器等，受控过程中不可避免地会产生强电磁干扰，有效的抗干扰措施是确保 整个控制系统正常工作的必要条件。 11模拟量的输入输出通道12模拟量I/O通道：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

10、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变变送送器器13模拟量的输入通道n传感器（传感器（Transducer）n非电量非电量电压、电流电压、电流 n变送器（变送器（Transformer）n转换成标准的电信号转换成标准的电信号n信号处理（信号处理（Signal Processing）n放大、整形、滤波放大、整形、滤波n多路转换开关（多路转换开关（Multiplexer）n多选一多选一n采样保持电路（采样保持电路（Sample Holder，S/H）n保证变换时信号恒定不变保证变换时信号恒定不变nA/D变换器（变换器（A/D Converter）n模拟量转换为数字量

11、模拟量转换为数字量14模拟量的输出通道nD/A变换器（变换器（D/A Converter）n数字量转换为模拟量数字量转换为模拟量n低通滤波低通滤波n平滑输出波形平滑输出波形n放大驱动放大驱动n提供足够的驱动电压，电流提供足够的驱动电压，电流15闭环控制系统应用案例n水泥厂增湿塔出口温度控制系统水泥厂增湿塔出口温度控制系统16数/模（D/A）变换器17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18一、D/A变换器的工作原理n组成：组成：n模拟开关模拟开关n电阻网络电阻网络n

12、运算放大器运算放大器VrefRf 模拟开关模拟开关电阻网络电阻网络VO数字量数字量19基本变换原理n当运放的放大倍数足够大时，输出电压当运放的放大倍数足够大时，输出电压VO与输与输入电压入电压Vin的关系为：的关系为：VinRf VOR fOinRV = -VR20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 =-RVRVinRf VOR1Rn21n=8的权电阻网络2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S822基本变换原理n如果每个支路由一个开

13、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 = -SV2若若Si=1,该项对该项对VO有贡献；有贡献；若若Si=0,该项对该项对VO无贡献无贡献23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S1S8(Di=1时时Si闭合；闭合；Di=0时时Si断开断开)，则不同的，则不同的二进制代码就对应不同输出电压二进制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；

14、n为控制电阻网络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)。24实际的D/A转换器 R-2R梯形电阻网络R Rf fViV0Vrefn-1n-12 21 10 02R2R2R2R2R2R2R2RR RR RR RVn-1V2V1V02R2R+ +- -.25二、主要技术指标n分辨率（分辨率（Resolution）n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)使输出使输出变化的程度。变化的程度。n分辨率表示方法：分辨率表示方法：n可

15、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；位等；n也可用一个也可用一个LSB （Least Significant BitLeast Significant Bit）使输出变使输出变化的程度来表示。化的程度来表示。26分辩率例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的的变化所引起输出模拟量的变化为：变化所引起输出模拟量的变化为： 5/(210-1) = 5/1023 = 0.04888V = 48.88mV27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影响转换精度的因素：影响转换精度的

16、因素： 分辩率分辩率 电源波动电源波动 温度变化温度变化 28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 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 LSBtCVFULL29三、典型D/A转换器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30DAC0832的内部结构31主要引脚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12345

17、67891020191817161514131211VCCILEWR2XFERD4D5D6D7LOUT2LOUT1CSWR1AGNDD3D2D1D0VREFRfbDGNDDAC083232主要引脚功能用于用于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：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄寄存器存器33主要引脚功能其它引线：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

18、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 34工作模式单缓冲模式单缓冲模式双缓冲模式双缓冲模式无缓冲模式无缓冲模式35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，AL36单缓冲模式例n利用教材图利用教材图8-12所示线路图输出三角波：所示线路图输出三角波

19、：n端口地址：端口地址：0278Hn最大输出值最大输出值5V，对应数字量：，对应数字量：FFHn最小输出值最小输出值0V，对应数字量：，对应数字量：00Hn MOV DX，0278Hn MOV AL，0nNET1： OUT DX，ALn INC ALn CMP AL，0FFHn JNZ NET1n DEC ALNET2： OUT DX，AL DEC AL CMP AL，0 JNZ NET2 JMP NET137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，数据写入输入当输入寄存器控制信号有效时，数据写入输入 寄存器中；再

20、在寄存器中；再在DAC寄存器控制信号有效时，寄存器控制信号有效时， 数据才写入数据才写入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。此时芯片占用两个端口地址。n优点：优点：n数据接收与数据接收与D/A转换可异步进行；转换可异步进行；n可实现多个可实现多个DAC同步转换输出。同步转换输出。n分时写入、同步转换。分时写入、同步转换。38工作时序D0-D7CSWR1ILE（高电平）WR2XFER（模拟输出电流变化）写输入写输入寄存器寄存器写写DAC寄存器寄存器39双缓冲模式同步转换例译码器译码器A10-A00832-10832-2port1port2port340MOV

21、 AL，data MOV DX，port1OUT DX，ALMOV DX，port2OUT DX，AL MOV DX，port3OUT DX，AL HLT双缓冲模式的数据写入程序0832-1的输入寄存器地址的输入寄存器地址0832-2的输入寄存器地址的输入寄存器地址DAC寄存器地址寄存器地址41无缓冲器模式n使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输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。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)。42四、D/A转换器的应用 信号发生器信号发生器 用于

22、闭环控制系统用于闭环控制系统向向D/AD/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43模/数（A/D）转换器44要点：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n与系统的连接与系统的连接n数据采集程序的编写数据采集程序的编写45A/D转换器n用于将连续变化的模拟信号转换为数字信号的用于将连续变化的模拟信号转换为数字信号的装置，简称装置，简称ADC，是模拟系统与计算机之间的是模拟系统与计算机之间的接口部件。接口部件。46A/D

23、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，适用于中速分辩率高、抗干扰性好、转换速度慢，适用于中速 系统系统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47一、A/D转换器的工作原理n逐位反馈型逐位反馈型A/D转换器转换器n类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量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去逼近被称物体D/A+ +- -V Vi i比较器逐次变换寄存器SAR 数

24、字量输出时序及控制逻辑 VC48二、主要技术指标n转换精度转换精度n量化误差量化误差n非线性误差非线性误差n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49量化间隔n一个最低有效位对应的模拟量一个最低有效位对应的模拟量 =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，则其分辨，则其分辨率为：率为： 5V/255=19.6mV50量化误差n绝对量化误差绝对量化误差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n相对量化误差相对量化误差=（1/2） 100%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

25、=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%51转换时间n实现一次转换需要的时间。精度越高（字长越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。长），转换速度越慢。52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。53三、典型的A/D转换器芯片ADC0809：n8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54主要引脚功能nD7D0：输出数据线（三态

26、）：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）55内部结构IN7IN08个个模模拟拟输输入入通通道道START EOC CLK OED7D0VREF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALE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

27、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选选156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57ADC0809的工作过程由时序图知由时序图知ADC0809的工作过程如下：的工作过程如下：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；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58ADC0

28、809的工作流程 送通道地址送通道地址通道地址锁存通道地址锁存启动启动A/D变换变换转换结束否？转换结束否？送送OE开门信号开门信号读取转换结果读取转换结果YN59判断转换结束的方法n软件延时等待软件延时等待（比如延时（比如延时120us）n此时不用此时不用EOC信号，信号，CPU效率最低效率最低n软件查询软件查询EOC状态。状态。n把把EOC作为中断申请信号，接到作为中断申请信号，接到8259的的IN端。端。n在中断服务程序中读入转换结果，效率较高在中断服务程序中读入转换结果，效率较高60ADC0809的应用n芯片与系统的连接芯片与系统的连接n通常情况下需要经数字接口与系统连接通常情况下需要经数字接口与系统连接n编写相应的数据采集程序编写相应的数据采集程序n从数据采集到存储从数据采集到存储61ADC0809与系统的连接例单路模拟量输入：单路模拟量输入：D0IN0A15-A0 D7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA译译码码器器ADC0809数字数字I/O接接口口输输出出接接口口IORIOW62ADC0809与系统的连接例D0IN0A15-A0 IOR IOWD7