微机原理第八章

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、连接及编转换器的工作原理、连接及编程程A/D转换器的工作原理、连接及编转换器的工作原理、连接及编程程3模拟量的输入输出通道4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理处理信号信号变换变换I

2、/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5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模拟量转换为数字量6模拟量

3、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7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8数/模（D/A）变换器9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10一、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运算放大器运算放大器VrefRf

4、模拟开关模拟开关电阻网络电阻网络VO数字量数字量11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 = -VR12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 VOR1Rn13n=8的权电阻网络2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S814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，

5、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15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；n为控制电阻网络各支路电阻值的精度

6、，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)。16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+ +- -.17二、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可用输入数字量的位数来表示，如可用输

7、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。18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 = 48.88mV19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：影响转换精度的因素： 分辩率分辩率 电源波动电源

8、波动 温度变化温度变化 20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 LSBtCVFULL21三、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22DAC0832的内部结构23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1234567891020191817161

9、514131211VCCILEWR2XFERD4D5D6D7LOUT2LOUT1CSWR1AGNDD3D2D1D0VREFRfbDGNDDAC083224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25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器的输入nRfb：内部反馈电阻引脚

10、，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 26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27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，AL28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：n端口地址：端口地址：0278H

11、n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 NET129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；再在寄存器中；再在DAC寄存器控制信

12、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。30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31双缓冲模式同步转换例译码器译码器A10-A00832-10832-2port1port2port332MOV AL，data MOV DX，p

13、ort1OUT 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33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)。34四、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

14、/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35模/数（A/D）转换器36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37A/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。38A/D转换器类型n计数型计数型A/D转换

15、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39一、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 数字量输出时序及控制逻辑 VC40二

16、、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41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=19.6mV42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=10位，则：位，则：绝对量化误差

17、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%43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。44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。45三、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46主要引脚功能nD7D0：输出数据线（三态）：输出数据线（三态）nIN0IN

18、7：8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）47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络电阻网络三态三态输出输出锁存锁存

19、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148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49ADC0809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50ADC0809的工作流程 送通道地址送通道

20、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YN51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作为中断申请信号作为中断申请信号，接到，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52ADC0809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

21、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53ADC0809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接口接口输出输出接口接口IORIOW54ADC0809与系统的连接例D0IN0A15-A0 IOR IOWD7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA译译码码器器ADC0809I/O接接口口数字数字I/O接口接口IN7多路模拟量输入：多路模拟量输入：55数据采集程序流程 初始化初始化 送通道地址送通道地址送送ALE信号信号送送START信号信号读读EOC状态状态送读允许送读允许OE信号信号EOC=1？读转换结果读转换结果采集结束否？采集结束否？NY结结 束束Y送下一路通道地址送下一路通道地址 （1）（1）N56A/D转换器应用例题题8.148.14n825582