微机原理教学课件第9章模拟量的输入输出

1、1 32位微机原理与接口技术Theory and Interface Technology of 32-bit Microcomputer主编 何苏勤 郭青 副主编 马静 冯晓东 韩阳 金翠云西安电子科技大学出版社2017年9月第1页，共56页。第9章 模拟量的输入/输出2第2页，共56页。第9章 模拟量的输入/输出 39.1 模拟接口的组成9.2 模/数转换器及接口9.3 数/模转换器及接口9.4 模拟量输入/输出综合举例第3页，共56页。第9章 模拟量的输入/输出 4在许多工业生产过程中，计算机系统需要处理的物理量往往是随时间连续变化的模拟量，如电压、电流等电信号，或者声、光、压力和温度等

2、非电物理量。非电物理量需要通过合适的传感器等转换成电信号模拟量只有转换成数字量才能被计算机采集、分析和计算处理。另一方面，为了实现对生产过程的控制，有时把计算机输出的数字量转换为模拟信号，以驱动执行机构工作。CPU与模拟外设之间的接口电路称为模拟接口，模拟接口是计算机监测与控制系统中不可缺少的组成部分。第4页，共56页。9.1 模拟接口的组成5【学习目标】掌握模拟量输入输出通道的基本概念，熟悉了解模/数、数/模通道的基本组成及工作原理。【主要内容】模拟量输入输出通道的基本组成和工作原理模/数转换通道数/模转换通道第5页，共56页。模拟量输入输出通道的组成6工业生产过程的模拟信号由模/数（Ana

3、log to Digit，A/D）转换通道转换成数字信号，由计算机进行分析处理；计算机输出的数字信号经过数/模（Digit to Analog，D/A）转换通道转换成模拟信号，并经驱动电路放大后，送往执行部件对工业过程进行控制。第6页，共56页。模拟量输入输出通道的组成7第7页，共56页。9.1.1模/数转换通道的组成8A/D转换器将连续变化的模拟信号转换成计算机可以处理的TTL电平或MOS电平的数字信号，它属于计算机输入设备。一般模/数转换通道由传感器、信号处理、多路转换开关、采样保持器以及 A/D转换器组成。第8页，共56页。9.1.1 模/数转换通道的组成91.传感器传感器将非电物理量转

4、换成电信号(电流或电压)，一般由电容、电阻、电感或敏感材料组成。2.信号处理 在A/D转换器与传感器之间一般接有信号放大处理电路，主要有以下几个原因：1）传感器输出的电信号往往与ADC需要的输入电压信号不相匹配。需要将传感器信号进行变换与放大处理，转换成与ADC输入相匹配的电压信号。2）传感器工作在现场，可能存在复杂的电磁干扰，通常采用RC低通滤波器或有源滤波技术，滤除叠加在传感器输出信号上的高频干扰信号。第9页，共56页。9.1.1 模/数转换通道的组成103.多路转换开关工业生产过程中要监测或控制的模拟量可能不止一个，数据采集系统往往需要对多路模拟信号进行采集、转换。由于工业生产过程中被采

5、集的物理量通常是缓慢变化的，因此，可以只用一片A/D转换芯片，轮流选择输入信号进行采集，既节省了硬件开销，又不影响对系统的监测与控制。许多A/D转换芯片内部具备多路转换开关，一片A/D转换芯片可以轮流采集多路模拟输入信号。如果A/D转换芯片不具有多路转换功能，则在A/D转换之前外加模拟多路转换开关。第10页，共56页。9.1.1 模/数转换通道的组成114.采样/保持器A/D转换器将模拟信号转换成数字信号需要一定的时间。为了避免因模拟信号变化过快致使A/D转换器来不及转换，一般可根据实际需要使用采样保持电路对模拟信号进行稳定。对于变化较快的模拟信号如果不采取采样保持措施，将会引起转换误差。对于

6、慢速变化的模拟信号，则无需采样保持电路，不会影响A/D转换的精度。第11页，共56页。9.1.1 模/数转换通道的组成124.采样/保持器采样/保持示意图在采样状态下，电路的输出跟踪输入的模拟信号在保持状态下，电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直到进入下一次采样状态为止。第12页，共56页。9.1.1 模/数转换通道的组成134.采样/保持器采样/保持器的基本原理图由模拟开关、存储元件(电容)和运算放大器组成在VC的控制下，模拟开关S接通，Vi对CH充电，由于运算放大器接成同相输入方式的随极跟随器，那么Vo跟随Vi的变化。当VC的电平使得模拟开关S断开时，电容CH两端已充电

7、后的电压短时间内保持不变，运算放大器的输出电压Vo保持第13页，共56页。9.1.1 模/数转换通道的组成145. A/D转换器A/D转换器是模/数转换通道的核心环节，其功能是将模拟输入电信号转换成数字量(二进制数或BCD码等)，以便由计算机读取、分析处理，并依据它发出对生产过程的控制信号。A/D转换的方法很多，常用的有计数式、逐次逼近式、双积分式、并行比较型/串并行比较型、-调制型、电容阵列逐次比较型以及压频变换型等。第14页，共56页。9.1.2 数/模转换通道的组成15计算机输出的信号是以数字的形式给出的，有时需要将计算机输出的数字量转换成模拟的电流或电压，这个任务主要由数/模（D/A）

8、转换器来完成。它属于计算机输出设备。第15页，共56页。9.1.2 数/模转换通道的组成16D/A转换器主要由电阻网络、电流开关、基准电压和运算放大器组成，如图所示。电阻网络是D/A转换的核心部件，其主要网络形式为权电阻网络和R-2R梯形电阻网络。D/A转换芯片内部通常设有数据锁存器，可以与CPU的数据总线直接相连。电流开关和电阻网络组成D/A转换器内部的D/A转换电路，将锁存的数字量转换成模拟电流信号。为了增强驱动能力，此电流信号通常需要经过运算放大器放大并变换成电压信号输出。第16页，共56页。9.1.2 数/模转换通道的组成17D/A转换器的输出形式有电压、电流两大类。通常D/A转换器的

9、输出电压范围有0+5V，0+10V，02.5V、05V以及010V几种。对于非标准的输出电压范围，可以在输出端再加运算放大器调整。有些场合需要输出电流信号，以便与标准仪表相配合或满足长距离传输的要求。在实际应用中，经常选用电流输出型的芯片外加运算放大器实现电压输出第17页，共56页。9.2 模/数转换器及接口18【学习目标】掌握模/数转换器的主要技术指标，ADC0809的工作原理及外特性，及其与微处理器接口的工作原理和编程方法。【主要内容】模/数转换器的主要技术指标ADC0809的外特性ADC0809与微处理器的接口第18页，共56页。9.2.1 模/数转换器的主要技术指标191.分辨率分辨率

10、（Resolution）反映A/D转换器对输入模拟量的分辨能力，通常用数字输出最低位（LSB）变化为1时，所对应的模拟输入量变化的电平值表示。由于分辨率与A/D转换器输出的数字量位数直接相关，所以也可简单地用数字量的位数来表示分辨率。位数越高，分辨率越高。例如：满量程为+5V的8位A/D转换器能分辨的模拟量最小值为 而同样量程的10位A/D转换器能够分辨的模拟量最小值为量程相同的10位A/D转换器的分辨率要高得多第19页，共56页。9.2.1 模/数转换器的主要技术指标202. 精度精度（precision）是指转换的结果相对于实际值的偏差，有绝对精度和相对精度两种表示方法。对应于输出的一个数

11、字量，实际的模拟输入电压与理想的模拟输入电压之差的最大值定义为“绝对误差”。通常用最低位(LSB)的倍数来表示，如0.5LSB或1LSB等。绝对精度除以满量程值的百分数就是“相对精度”，或称“相对误差”。分辨率与精度是两个不同的概念。相同分辨率的A/D转换器其精度可能不同分辨率高但精度不一定高，而精度高则分辨率必然也高。第20页，共56页。9.2.1 模/数转换器的主要技术指标213. 量程量程（满刻度范围Full Scale Range）是指所能转换的输入模拟电压的变化范围，分单极性和双极性两种类型。例：单极性转换器的量程为010V， 双极性的量程为-5V+5V。4.转换时间转换时间（Con

12、version Time）是指完成一次A/D转换所需的时间，即发出启动转换命令，到转换结束信号有效，输出得到稳定的数字量所需的时间。转换时间的倒数称为转换速率（Conversion Rate）。这两个参数是表示转换速率快慢的重要参数。通常，A/D转换器的分辨率越高，转换速率越快，价格也越高。在实际应用中，应根据模拟量的变化速度，从实际需要出发，慎重选择。第21页，共56页。9.2.1 模/数转换器的主要技术指标225.线性度误差理想的转换器特性应该是线性的，即模拟量输入与数字量输出成线性关系。线性度误差(Linearity Error)是转换器实际的模拟数字转换关系与理想直线之间的最大误差。一

13、般情况下，误差应小于第22页，共56页。9.2.2 可编程A/D转换器ADC080923ADC0809是逐次逼近型的8路模拟量输入、8位数字量输出的A/D转换器，采用CMOS工艺制作，单极性输入，量程为0+5V，转换时间为100s。片内带有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线接口。性能价格比较高，可应用于对精度和采样速度要求不高的场合或一般的工业控制领域，第23页，共56页。9.2.2 可编程A/D转换器ADC0809241. ADC 0809的内部结构ADC 0809采用双列直插式封装，共有28个引脚，第24页，共56页。9.2.2 可编程A/D转换器ADC080925ADC0809由模拟量输

14、入、A/D转换器和三态输出锁存缓冲器三部分组成。 模拟量输入部分8路模拟开关可采集8路模拟信号，并通过地址锁存与译码逻辑选择8路中的一路进行转换。 ：8路模拟信号输入端。单极性电压输入，输入电压范围05V。如信号过小，则需要进行放大，且模拟量的变化不宜过快。对变化速度快的模拟量，可在输入前加采样保持电路。ALE：地址锁存允许信号，输入。高电平有效，用于锁存ADDA、ADDB、ADDC的状态。第25页，共56页。9.2.2 可编程A/D转换器ADC080926 模拟量输入部分ADDA、ADDB、ADDC：地址输入端，其中ADDA为低位地址，ADDC为高位地址，用于选择8路模拟输入量中的一路。 地

15、址编码与输入选通的关系ADDCADDBADDA选中模拟通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7第26页，共56页。9.2.2 可编程A/D转换器ADC080927 A/D转换部分主要由控制与时序电路、逐次逼近寄存器SAR及由树状开关和电阻网络构成的A/D转换电路组成，是A/D转换器的核心部分，其功能就是将选中的模拟输入量转换为数字量。START：启动A/D转换控制信号，输入。其上升沿使内部逐次逼近寄存器清0，下降沿启动A/D转换。EOC：转换结束信号，输出。A/D转换开始时变为低电平，且在A/D转换过程中保持低电平，转换结束时变为高电

16、平。CLK：时钟脉冲输入端。外加时钟脉冲的频率范围为 ，通常使用频率为500kHz的时钟信号。REF（+）、REF（-）：参考电压输入端，提供内部A/D转换电路的基准电平。一般设置为REF（+）=+5V，REF（-）接地。Vcc：接+5V工作电源。GND：接地端。第27页，共56页。9.2.2 可编程A/D转换器ADC080928 三态输出锁存器经A/D转换后的数字量保存在8位的三态输出锁存缓冲器中，当输出允许信号OE有效时，打开三态门，将转换后的数据通过D7D0输出到CPU数据总线上。三态输出锁存器在芯片内部电路与外部数据总线之间起到隔离缓冲作用，使ADC 0809能够直接与CPU接口。D7

17、D0：8位数字量输出，可直接与CPU的数据总线相连。OE：输出允许信号，输入，高电平有效。当OE为高电平，三态门打开，输出转换得到的数字量；当OE为低电平，输出数据线呈高阻状态。第28页，共56页。2. ADC 0809的工作过程29ADC0809的时序第29页，共56页。2. ADC 0809的工作过程30当模拟量送至某一输入通道后，通过三位地址选择要对哪一路模拟量进行转换，并由地址锁存允许ALE锁存使ADC 0809的启动信号START为正脉冲，其上升沿使逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换，并使输出转换结束信号EOC变为低电平A/D转换结束后，EOC变为高电平，转换后的数字量保存到8

18、位输出锁存缓冲器中当输出允许信号OE高电平有效时，输出三态缓冲器打开，转换结果送到数据总线上使用时可将EOC信号短接到OE端，也可利用EOC信号向CPU申请中断。第30页，共56页。9.2.3 ADC0809与微处理器的接口31【例9-1】 ADC 0809芯片通过8255A与8088CPU的接口。第31页，共56页。9.2.3 ADC0809与微处理器的接口32【例9-1】 ADC 0809芯片通过8255A与8088CPU的接口。ADC 0809的输出数据通过8255的PA口输入给CPU地址输入信号ADDA、ADDB和ADDC以及地址锁存信号ALE由8255的PB口的PB0PB3提供。A/

19、D转换的状态信息EOC则由PC4输入。分析：根据接口电路以及数据的输入方式，选择8255A的工作方式。如以查询方式读取A/D转换后的结果，则8255A可设定A口为输入，B口为输出，均为方式0，PC4为输入设8255A的端口地址为0FCH0FFH。第32页，共56页。9.2.3 ADC0809与微处理器的接口33【例9-1】 ADC 0809芯片通过8255A与8088CPU的接口。第33页，共56页。A/D转换的程序34 ORG 1000HSTART : MOV AL, 98H ; 8255A初始化，方式0，A口输入，B口输出 MOV DX, 0FFH ; 8255A控制字端口地址OUT DX

20、, AL ; 送8255A方式字MOV AL, 0BH ; 送IN3输入端地址及ALE地址锁存信号MOV DX, 0FDH ; 8255A的B口地址OUT DX, AL ; 送IN3通道地址MOV AL, 1BH ; OUT DX, AL ; 启动A/D转换MOV AL, 0BHOUT DX, AL ; MOV DX, 0FEH ; 8255A的C口地址 TEST : IN AL, DX ; 读C口状态 AND AL, 10H ; 检测EOC状态 JS TEST ; 如未转换完，再测试；转换完则继续 MOV DX, 0FCH ; 8255A的A口地址 IN AL, DX ; 读转换结果第34页

21、，共56页。9.3 数/模转换器及接口35【学习目标】掌握数/模转换器的主要技术指标，DAC1210的工作原理及外特性，及其与微处理器接口的工作原理和编程方法。【主要内容】数/模转换器的主要技术指标12位D/A转换器DAC1210的外特性DAC1210与微处理器的接口第35页，共56页。9.3.1 数/模转换器的主要技术指标36D/A转换器与A/D转换器的主要技术指标基本相同，概念上略有不同。分辨率: 反映D/A转换器对微小输入变化量的敏感程度，通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位等。位数越高，分辨率越高。绝对精度：对应于给定的满刻度数字量，D/A转换器实际输出的模拟量与理

22、论值之间的偏差。该误差是由D/A的增益误差、零点误差和噪声等引起的。一般应低于2-(n+1)或 LSB。相对精度：在满刻度已校准的情况下，在整个刻度范围内对应于任意数字量的模拟量输出与理论值之差。可用该偏差值相当于最低位LSB的倍数，或该偏差相当于满量程值的百分比表示。对于线性的D/A转换器，相对精度就是非线性误差。第36页，共56页。9.3.1 数/模转换器的主要技术指标37建立时间（Setting Time）：指D/A转换器输入的数字量由全0变化为全1时，其输出的模拟量达到稳定（一般稳定到满量程值1/2 LSB的范围内）所需的时间。一般为几十毫微秒到几个微秒，一般来说D/A转换器的转换速度

23、比A/D转换器要快得多。线性误差（Linearity Error）：相邻两个数字量对应的模拟输出量的差别应该是1 LSB，即理想的转换器特性应该是线性的。在满刻度范围内，转换器实际的转换特性曲线与理想直线之间的最大误差称为线性误差。一般情况下，线性误差应小于1/2 LSB 。温度系数（Temperature Coefficients）：在规定的范围内，相应于每变化1，增益、线性度、零点及偏移等参数的变化量。温度系数直接影响转换精度。 第37页，共56页。9.3.2可编程D/A转换器DAC121038DAC 1210是美国国家半导体公司生产的12位D/A转换器，为24引脚双列直插式封装12位的数

24、据输入端，低4位与高8位分别连接到一个4位和一个8位的输入寄存器两个输入寄存器的输入允许控制都要求CS和WR1 为低电平，但8位输入寄存器的数据输入还要求B1/B2 端为高电平。第38页，共56页。DAC1210引脚功能39 ：片选信号，低电平有效。 ：写控制信号1，低电平有效。此信号为高电平时，两个输入寄存器都不接收新数据。当此信号有效时，与 配合起控制作用。 ：字节控制。此端为高电平时，12位数字同时送入输入寄存器。此端为低电平时，只将12位数字量的低4位送到4位输入寄存器中。DI11DI0：12位数字量输入。 ：数据转换控制信号，低电平有效，与 配合使用。 ：写控制信号2，低电平有效。此

25、信号有效时， 信号才起作用。 第39页，共56页。DAC1210引脚功能40VRef：参考电压。Rfb：外部放大器的反馈电阻接线端。IOUT1：D/A电流输出端1。IOUT2：D/A电流输出端2。DGND：数字地。AGND：模拟地第40页，共56页。DAC1210的工作方式41 双缓冲工作方式。DAC1210芯片内有两个数据寄存器，在双缓冲工作方式下，CPU首先将数据写入输入寄存器，再将输入寄存器的内容写入到DAC寄存器。 连接方式： 均接到CPU的 ， 和 分别接到两个端口的地址译码信号。 双缓冲方式的优点是DAC 1210的数据接收和启动转换可异步进行。可以在D/A转换的同时，进行下一数据

26、的接收，以提高模拟输出通道的转换速率，可实现多个模拟输出通道同时进行D/A转换。第41页，共56页。DAC1210的工作方式42 单缓冲工作方式。此方式是使两个寄存器中任一个处于直通状态，另一个工作于受控锁存器状态。一般是使DAC寄存器处于直通状态，即把 和 端都接数字地。 使 ，数据只要一写入DAC芯片，就立刻进行数模转换。此种工作方式可减少一条输出指令，在不要求多个模拟输出通道同时刷新模拟输出时，可采用此种方式。 直通工作方式。将 和 引脚直接接数字地，使控制端始终有效，则芯片处于直通状态。 此时，12位数字量一旦到达DI11DI0输入端，就立即进行D/A转换而输出。但在此种方式下，DAC

27、1210不能直接和CPU的数据总线相连接，故很少采用。第42页，共56页。9.3.3 DAC1210与微处理器的接口43D/A转换器与微处理器接口的连接信号包括数据线、地址线和控制线。微处理器的数据总线与DAC的数据输入端相连，需要在数据总线和D/A转换器输入端之间加锁存器。内部有数据锁存器的D/A转换器芯片与CPU接口时，无须外加锁存器，其数据输入端可与CPU数据总线直接相连。当CPU对D/A转换器执行一次写操作，即可将8位数字量锁存到8位锁存器，作为D/A转换器的输入数据。当D/A转换器的分辨率大于8位时，在与8位数据总线接口时，就需要采取适当措施。第43页，共56页。【例9-2】DAC1

28、210与IBM PC的接口44DAC1210输入数据线的高8位DI11DI4与IBM PC的数据总线DB7DB0相连；低4位DI3DI0接至IBM PC数据总线的DB7DB4上12位的数据输入应由两次写入操作完成。电流输出端接运算放大器，转换为电压输出第44页，共56页。【例9-2】DAC1210与IBM PC的接口45DAC1210占用02500252H三个端口地址AB0地址线经反向驱动器接至B1/B2端。由于DAC1210中的4位寄存器的LE1端及8位输入寄存器均受CS和WR1 控制，故对8位及4位寄存器的两次写入操作均使4位寄存器的内容更新。第45页，共56页。【例9-2】DAC1210

29、与IBM PC的接口46操作步骤：先使 B1/B2端为高电平（A0=1，即地址0251H），写入高8位寄存器；再使B1/B2端为低电平（A0=0，即地址0250H），进行第二次写入操作，将待转换数字量的低4位写入到输入寄存器，此时高8位不变。DAC寄存器的地址为0252H，当执行对0252H端口的写操作时，锁存到输入寄存器内的12位数字量写入DAC寄存器的同时，启动D/A转换。第46页，共56页。【例9-2】DAC1210与IBM PC的接口47完成一次转换输出的程序。;设BX寄存器中低12位为待转换的数字量START : MOV DX, 0250H ;DAC1210的基地址 MOV CL,

30、04 SHL BX, CL ;BX中的12位数左移4位 MOV AL, BH ;高8位数AL OUT DX, AL ;写入高8位 INC DX ;修改DAC1210端口地址 MOV AL, BL ;低4位数AL OUT DX, AL ;写入低4位 INC DX ;修改DAC1210端口地址 OUT DX, AL ;启动D/A转换第47页，共56页。9.4 模拟量输入/输出综合举例48以一个简单的由8086CPU和模数转换器、数模转换器组成的工业过程闭环控制系统为例，介绍模拟量接口的实际应用。【例9-3】一个由8086CPU和模数转换器ADC0809、数模转换器DAC0832构成的闭环控制系统如

31、下页所示。第48页，共56页。9.4 模拟量输入/输出综合举例49【例9-3】由8086CPU和模数转换器ADC0809、数模转换器DAC0832构成的闭环控制系统如图所示。第49页，共56页。9.4 模拟量输入/输出综合举例50ADC0809和DAC0832均通过并行接口8255A与CPU接口。8255A中端口A工作在方式0，完成输出功能，用来向数模转换器DAC0832输出8位数字信息。端口B工作在方式1，完成输入功能，用来接收由模数转换器ADC0809输入的8位数字信息。端口C作为控制口使用，其中PC7用作模数转换器ADC0809的启动信号，PC2用作输入的STBB信号，PC0用作中断请求

32、信号INTRB，通过中断控制器8259A向CPU发中断请求。8255A和8259A的工作方式都需要通过初始化程序来定义。 第50页，共56页。9.4 模拟量输入/输出综合举例51DAC0832为带输入锁存器的8位D/A转换器，其内部结构及操作特性与DAC1210类似。由8255A端口A输出的8位数字信息，经数模转换器DAC0832转换成模拟量。它输出的模拟量是电流值，因此，DAC0832常与运算放大器一起使用，以便将模拟电流放大并转换为模拟电压。控制现场的模拟信息经传感器和运算放大器变换为一定范围内的模拟电压，经模数转换器ADC0809变换为8位数字信息传送到8255A的端口B。端口B可采用查询或中断方式与CPU联系。若采用中断方式，中断请求信号经8259A中断裁决后送往CPU的INTR端。本例采用的是中断方式，定义中断类型码为40H。第51页，共56页。8255A及8259A的初始化程序52INTT：MOV