第6章模拟量输入输出

1、第第6章章 模拟量的输入输出模拟量的输入输出n本章内容本章内容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转换器转换器n原理及连接使用方法原理及连接使用方法nA/D转换器转换器n原理及连接使用方法原理及连接使用方法 n模拟量模拟量I/O接口的作用：接口的作用：n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 n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 n计算机内部计算机内部离散的数字量离散的数字量n二进制数、十进制数二进制数、十进制数n工业生产过程的闭环控制工业生产过程的闭环控制 概述概述 模拟量模拟量D/A传感器传感器执

2、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(过程控制过程控制)计算机计算机 6.1 模拟量模拟量I/O通道的组成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6.

3、2 数数/模（模（D/A）变换器）变换器n6.2.1 D/A变换器的基本原理及技术指标变换器的基本原理及技术指标nD/A变换器的基本工作原理变换器的基本工作原理n组成：模拟开关、组成：模拟开关、电阻网络电阻网络、运算放大器、运算放大器 n两种电阻网络：权电阻网络、两种电阻网络：权电阻网络、R-2R T型电阻网络型电阻网络n基本结构如图：基本结构如图：VrefRf 模拟开关模拟开关电阻网络电阻网络VO数字量数字量2 R4 R8 R16 R32 R64 R128 R256 RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S81 权电阻网络型权电阻网络型D/A转换器工作原理转换器工作原理n图中的电阻

4、网络就称为图中的电阻网络就称为权电阻网络权电阻网络D7D0 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，则上式变换为断开，则上式变换为 REFfVRRV0niiiREFfSVRRV102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 对于对于8位的位的D/A转换器转换器 )222(2)222()222(20066770768717788810DDDVRRDDDVRRSSSVRRSVRRVRETfREFfREFfiiiREFf 2 T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器O DN-1D

5、0)222(2)242(/870160708670DDDRRVRDRVDRVDRVIRVADfREFfREFREFREFf 转换器位对于6.2.3 典型典型D/A转换器转换器一、8位D/A转换器DAC0832n特性：特性：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（一）（一）DAC0832内部结构内部结构引脚功能引脚功能nD7D0：输入数据线nILE：输入锁存允许nCS：片选信号 用于把数据写入到输入锁存器用于把数据写入到输入锁存器nWR1：写输入锁存器 nWR2：写DAC寄存器nXFER：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

6、动转换上述二个信号用于启动转换nVREF：参考电压，-10V+10V，一般为+5V或+10VnIOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入nRfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出nAGND、DGND：模拟地和数字地 nD/A转换可分为两个阶段：转换可分为两个阶段：nCS=0、WR1=0、ILE=1，使输入数据锁存，使输入数据锁存到输入寄存器；到输入寄存器；nWR2=0、XFER=0，数据传送到，数据传送到DAC寄存器，寄存器，并开始转换。并开始转换。（二）（二）DAC0832与系统的连接与系统的连接1. 双缓冲方式（标准方式）双缓冲方式（标准方式）转换要有两个步骤： 将数据写入输

7、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 优点： 可实现多个DAC同步转换输出分时写入、同步转换2. 单缓冲方式单缓冲方式 使输入锁存使输入锁存器或器或DAC寄存器寄存器二者之一处于直二者之一处于直通通。CPU只需一只需一次写入即开始转次写入即开始转换。控制比较简换。控制比较简单。单。3. 直通方式直通方式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。DAC0832数据线不能直接与数据总线连接，数据线不能直接与数据总线连接，需外加并行接口需外加并行接口(如如74

8、LS373、8255等等)。（三）（三）DAC0832的输出电路的输出电路1. 单极性输出电路单极性输出电路2.双极性输出电路双极性输出电路（四）（四） 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0832-10832-2port1port2port3双缓冲方式的程序段示例双缓冲方式的程序段示例本例中三个端口地址的用途：本例中三个端口地址的用途：port1 选择选择0832-1的输入寄存器的输入寄存器 port2 选择选择0832-2的输入寄存器的输入寄存器 port3 选择选择0832-1和和0832-2的的DAC寄存器寄存器MOV AL，X ; 要转换的数据送要转换

9、的数据送ALMOV DX，port1 ; 0832-1的输入寄存器地址送的输入寄存器地址送DXOUT DX，AL ; 数据送数据送0832-1的输入寄存器的输入寄存器MOV AL，Y ; 要转换的数据送要转换的数据送ALMOV DX，port2 ; 0832-2输入寄存器地址送输入寄存器地址送DXOUT DX，AL ; 数据送数据送0832-2的输入寄存器的输入寄存器MOV DX，port3 ; DAC寄存器端口地址送寄存器端口地址送DXOUT DX，AL ; 数据送数据送DAC寄存器，并启动同步转换寄存器，并启动同步转换HLTD/A转换器的应用转换器的应用n函数发生器函数发生器n只要往只要往

10、D/A转换器写入按规律变化的数据，即可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、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。阶梯波、梯形波等函数波形。n直流电机的转速控制直流电机的转速控制n用不同的数值产生不同的电压，控制电机的转速用不同的数值产生不同的电压，控制电机的转速n其他需要用电压其他需要用电压/电流来进行控制的场合电流来进行控制的场合 二、二、12位位D/A转换器转换器 DAC1208 DAC1208系列系列D/A转换器有转换器有DAC1208、DAC1209、DAC1210三种芯片类型，是与微处理器完全兼容的三种芯片类型，是与

11、微处理器完全兼容的12位位D/A转转换器。其功耗低，输出电流稳定时间为换器。其功耗低，输出电流稳定时间为1s，参考电压范围为，参考电压范围为-10V+10V，单工作电源范围为，单工作电源范围为+5V+15V，转换精度较高，转换精度较高，价格低廉，接口简单，目前应用较为广泛。价格低廉，接口简单，目前应用较为广泛。 由于由于DAC1208是是12位数据总线，对于位数据总线，对于8088CPU8位位数据总线，需分两次从数据总线，需分两次从CPU送出。送出。 所以，所以，DAC1208与与8088CPU总线连接，只可连接成总线连接，只可连接成双缓冲器方式。双缓冲器方式。 数据的操作必须分为数据的操作必

12、须分为3步进行，首先将高步进行，首先将高8位数据写入位数据写入8位输入锁存器，然后将低位输入锁存器，然后将低4位数据写入位数据写入4位输入锁存器，最位输入锁存器，最后将后将12位数据从输入锁存器中写入位数据从输入锁存器中写入12位位DAC寄存器，将寄存器，将12位转换数据送往位转换数据送往DAC1208接口电路进行接口电路进行D/A转换。转换。DAC1208与与CPU的接口地址为：的接口地址为：0202H ,0203H,0204HA9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A01 0 0 - - - 0 0 1 0 8位寄存器位寄存器 1 0 0 - - - 0 0 1 1 4位寄存

13、器位寄存器1 0 0 - - - 0 1 0 0 12位寄存器位寄存器 编程将编程将BX寄存器中低寄存器中低12位数据送位数据送DAC1208转换成模拟量。转换成模拟量。 MOV DX, 0202H MOV CL ,4 SHL BX ,CL MOV AL ,BH OUT DX ,AL MOV DX ,0203H MOV AL, BL OUT DX ,AL MOV DX ,0204H OUT DX ,AL HLT 6.3 模模/数（数（A/D）转换器）转换器n用途用途n将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便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。于计算机进行处理。n常用于数据

14、采集系统或数字化声音。常用于数据采集系统或数字化声音。A/D转换器的分类转换器的分类n根据根据A/D转换原理和特点的不同，可把转换原理和特点的不同，可把ADC分成两大类：分成两大类：直接直接ADC和和间接间接ADC。n直接直接ADC是将模拟电压直接转换成数字量，常用是将模拟电压直接转换成数字量，常用的有：的有：n逐次逼近式逐次逼近式ADC、计数式、计数式ADC、并行转换式、并行转换式ADC等。等。n 间接间接ADC是将模拟电压先转换成中间量，如脉是将模拟电压先转换成中间量，如脉冲周期冲周期T、脉冲频率、脉冲频率f、脉冲宽度、脉冲宽度等，再将中间等，再将中间量变成数字量。常见的有：量变成数字量。

15、常见的有：n单积分式单积分式ADC、双积分式、双积分式ADC，V/F转换式转换式ADC等等。典型的典型的A/D转换器简介转换器简介nADC0809n8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（可直接接到数据总线上）内置三态输出缓冲器（可直接接到数据总线上）引脚功能引脚功能 D7D0：输出数据线（三态）：输出数据线（三态）IN0IN7：8通道（路）模拟输入通道（路）模拟输入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道选择）：通道地址（通道选择）ALE：通道地址锁存：通道地址锁存START：启动转换：启动转换EOC：转换

16、结束，可用于查询或作为中断申请：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）：输出允许（打开输出三态门）CLK：时钟输入（：时钟输入（10KHz1.2MHz）VREF(+)、VREF(-)：基准参考电压：基准参考电压ADC0809内部结构内部结构START EOC CLK OED7D0VREF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比较器比较器8路模路模拟开拟开关关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逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器SAR

17、工作时序工作时序 ADC0809的工作过程的工作过程n根据时序图，根据时序图，ADC0809的工作过程如下：的工作过程如下：把把通道地址送到通道地址送到ADDAADDC上，上，选择选择某一某一个模拟输入量；个模拟输入量； 在通道地址信号有效期间，在通道地址信号有效期间，ALE上的上的上升沿上升沿使使该地址锁存到内部地址锁存器；该地址锁存到内部地址锁存器；START引脚上的引脚上的下降沿下降沿启动启动A/D变换；变换； 变换开始后，变换开始后，EOC引脚呈现引脚呈现低电平低电平， EOC重重新变为新变为高电平高电平时表示转换结束；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信号打开输出

18、锁存器的三态门送出结果 。 A/D转换器与计算机总线的硬件接口有转换器与计算机总线的硬件接口有3种方式：查询种方式：查询方式、延时方式和中断方式。方式、延时方式和中断方式。1.查询方式：首先由查询方式：首先由CPU向向A/D转换器发出启动脉冲，然后读转换器发出启动脉冲，然后读取转换结束信号（如取转换结束信号（如ADC0809的的EOC），根据转换结束信），根据转换结束信号的状态，判断号的状态，判断A/D转换是否结束，如果结束，可以读取转换是否结束，如果结束，可以读取A/D转换结果，否则继续查询，直至转换结果，否则继续查询，直至A/D转换结束。转换结束。 这种方法这种方法,应为应为A/D设计三种

19、接口：启动命令口（输出设计三种接口：启动命令口（输出口）、状态口（输入口）和数据口（输入口）口）、状态口（输入口）和数据口（输入口） 该方案程序设计比较简单，且可靠性高，但实时性差。该方案程序设计比较简单，且可靠性高，但实时性差。但由于大多数控制系统对于这点时间都是允许的，所以，这但由于大多数控制系统对于这点时间都是允许的，所以，这种方法用得最多。种方法用得最多。2. 延时方式：向延时方式：向A/D发出启动脉冲后，先进行发出启动脉冲后，先进行软件延时，此延时时间取决于软件延时，此延时时间取决于A/D转换器完转换器完成成A/D转换所需要的时间（如转换所需要的时间（如ADC0809约约为为100s

20、），经过延时后可读取数据。），经过延时后可读取数据。 采用延时方式时，转换结束引脚悬空。采用延时方式时，转换结束引脚悬空。在这种方式中，应为在这种方式中，应为A/D设计二个接口设计二个接口 ：启：启动命令口（输出口）、数据口（输入口）。动命令口（输出口）、数据口（输入口）。 为了确保转换完成，必须把时间适当延为了确保转换完成，必须把时间适当延长，因此，其速度比查询方式还慢，故应用长，因此，其速度比查询方式还慢，故应用较少。较少。3. 中断方式：中断方式：CPU启动启动A/D转换后即可转而处理其转换后即可转而处理其他的程序，一旦他的程序，一旦A/D转换结束，则由转换结束，则由A/D转换器发转换器

21、发出一转换结束信号向出一转换结束信号向CPU申请中断，申请中断，CPU响应中断响应中断后，便读入数据。后，便读入数据。 采用中断方式时，转换结束信号采用中断方式时，转换结束信号EOC通常与计通常与计算机的外部中断引脚连接。算机的外部中断引脚连接。 在中断方式中，应为在中断方式中，应为A/D设计二个端口：启动设计二个端口：启动命令口（输出口）、数据口（输入口）。命令口（输出口）、数据口（输入口）。 CPU与与A/D转换器是并行工作的，因此，其转换器是并行工作的，因此，其工作效率高。在多回路数据采集系统中一般采用中工作效率高。在多回路数据采集系统中一般采用中断方式。断方式。D0IN0A15-A0IORIOWD7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA译译码码器器ADC0809一个连接实例（用查询方式）一个连接实例（用查询方式）模拟信号输入模拟信号输入进行一次进行一次A/D转换的程序转换的程序(以上图为例以上图为例)n用查询用查询EOC状态的方法状