模拟量的输入输出讲解课件

第8章模拟量的输入输出1第8章模拟量的输入输出1第8章节目录8.1模拟量的输入输出通道8.2数/模（D/A）转换器8.3模/数（A/D）转换器章2第8章节目录8.1模拟量的输入输出通道章2第8章作业8.10;8.14章3第8章作业8.10;章3

模拟量I/O接口的作用：实际工业生产环境——连续变化的模拟量

例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量

计算机内部——离散的数字量二进制数、十进制数工业生产过程的闭环控制

概述模拟量D/A传感器执行元件A/D数字量数字量模拟量模拟量输入(数据采集)模拟量输出(过程控制)计算机4模拟量I/O接口的作用：概述模拟量D/A传感器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58.1模拟量I/O通道的组成模拟接口电路的任务模拟电路模拟量输入通道传感器（Transducer）非电量→电压、电流变送器（Transformer）转换成标准的电信号信号处理（SignalProcessing）放大、整形、滤波

多路转换开关（Multiplexer）多选一采样保持电路（SampleHolder，S/H）保证变换时信号恒定不变A/D变换器（A/DConverter）模拟量转换为数字量

6模拟量输入通道传感器（Transducer）6模拟量输出通道D/A变换器（D/AConverter）数字量转换为模拟量低通滤波平滑输出波形放大驱动提供足够的驱动电压，电流节7模拟量输出通道D/A变换器（D/AConverter）节78.2数/模（D/A）变换器8.2.1D/A变换器的技术指标分辨率（Resolution）输入的二进制数每±1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。一般用输入数字量的位数来表示:如8位、10位例：一个满量程为5V的10位DAC，±1LSB的变化将使输出变化5/(210-1)=5/1023=0.04888V=48.88mV88.2数/模（D/A）变换器8.2.1D/A变换器的D/A转换器的主要技术指标转换精度（误差）实际输出值与理论值之间的最大偏差。一般用最小量化阶⊿来度量，如±1/2LSB

也可用满量程的百分比来度量，如0.05%FSR(LSB-LeastSignificantBit,FSR-FullScaleRange)9D/A转换器的主要技术指标转换精度（误差）9转换时间从开始转换到与满量程值相差±1/2LSB所对应的模拟量所需要的时间tV1/2LSBtCVFULLD/A转换器的主要技术指标10转换时间tV1/2LSBtCVFULLD/A转换器的主要技8.2.2典型D/A转换器DAC0832

8位电流输出型D/A转换器T型电阻网络差动电流输出118.2.2典型D/A转换器DAC083211DAC0832内部结构12DAC0832内部结构12引脚功能D7～D0：输入数据线ILE：输入锁存允许/CS：片选信号/WR1：写输入锁存器上述三个信号用于把数据写入到输入锁存器/WR2：写DAC寄存器/XFER：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动转换VREF：参考电压，-10V～+10V，一般为+5V或+10VIOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出AGND、DGND：模拟地和数字地13引脚功能D7～D0：输入数据线13工作时序D/A转换可分为两个阶段：/CS=0、/WR1=0、ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器；/WR2=0、/XFER=0，数据传送到DAC寄存器，并开始转换。写输入寄存器写DAC寄存器14工作时序D/A转换可分为两个阶段：写输入寄存器写DAC寄存器工作方式单缓冲方式使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通。CPU只需一次写入即开始转换。控制比较简单。15工作方式单缓冲方式15

双缓冲方式（标准方式）转换要有两个步骤：将数据写入输入寄存器/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：数据接收与D/A转换可异步进行；可实现多个DAC同步转换输出——

分时写入、同步转换16双缓冲方式（标准方式）1617171818双缓冲方式——同步转换举例A10-A0译码器0832-10832-2port1port2port319双缓冲方式——同步转换举例A10-A0译码器0832-108双缓冲方式的程序段示例MOVAL，data1;要转换的数据送ALMOVDX，port1;0832-1的输入寄存器地址送DXOUTDX，AL;数据送0832-1的输入寄存器MOVAL，data2;要转换的数据送ALMOVDX，port2

;0832-2输入寄存器地址送DXOUTDX，AL;数据送0832-2的输入寄存器MOVDX，port3;DAC寄存器端口地址送DXOUTDX，AL;数据送DAC寄存器，并启动同步转换HLT20双缓冲方式的程序段示例MOVAL，data1;要直通方式

/CS=0、/WR1=0、ILE=1

/WR2=0、/XFER=0

特点：0832一直处于转换状态，模拟输出始终跟踪数据输入的变化。0021直通方式0021D/A转换器的应用函数发生器——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。直流电机的转速控制。22D/A转换器的应用函数发生器——只要往D/A转换器写入按规律2323MODDX，278HMOVAL，0NEXT：OUTDX，ALDECALJMPNEXT反向锯齿波正向锯齿波？节24MODDX，278H反向锯齿波8.3模/数（A/D）转换器用途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。类型计数型A/D变换器双积分型A/D变换器逐位反馈型A/D变换器

258.3模/数（A/D）转换器用途258.3.1工作原理及技术指标逐次逼近型A/D转换器结构：由D/A转换器、比较器和逐次逼近寄存器SAR组成。268.3.1工作原理及技术指标逐次逼近型A/D转换器26主要技术指标精度量化间隔(分辨率)=Vmax/电平数(即满量程值)例：某8位ADC的满量程电压为5V，则其分辨率为 5V/255=19.6mV

量化误差:用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量字长有限而无法精确地表示连续量所造成的误差。(字长越长，精度越高)27主要技术指标精度27主要技术指标（续）转换时间：转换一次需要的时间。精度越高（字长越长），转换速度越慢。输入动态范围：允许转换的电压的范围。如0～5V、0～10V等。绝对量化误差=量化间隔/2=(满量程电压/(2n-1))/2相对量化误差=1/2*1/量化电平数目*100%例：满量程电压=10V，A/D变换器位数=10位，则

绝对量化误差≈10/211=4.88mV相对量化误差≈1/211*100%=0.049%28主要技术指标（续）转换时间：转换一次需要的时间。精度越高（字典型的A/D转换器简介ADC08098通道（8路）输入8位字长逐位逼近型转换时间100μs内置三态输出缓冲器29典型的A/D转换器简介ADC080929引脚功能D7～D0：输出数据线（三态）IN0～IN7：8通道（路）模拟输入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道选择）ALE：通道地址锁存START：启动转换EOC：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）CLK：时钟输入（10KHz～1.2MHz）VREF(+)、VREF(-)：基准参考电压30引脚功能D7～D0：输出数据线（三态）30ADC0809内部结构STARTEOCCLKOED7D0VREF(+)VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比较器8路模拟开关逐位逼近寄存器SAR树状开关电阻网络三态输出锁存器时序与控制地址锁存及译码D/A8个模拟输入通道8选131ADC0809内部结构STARTEOCCL工作时序①②③④⑤32工作时序①②③④⑤32ADC0809的工作过程根据时序图，ADC0809的工作过程如下：①把通道地址送到ADDA～ADDC上，选择模拟输入；②在通道地址信号有效期间，ALE上的上升沿将该地址锁存到内部地址锁存器；③START引脚上的下降沿启动A/D变换；

④变换开始后，EOC引脚呈现低电平，EOC重新变为高电平时表示转换结束；⑤OE信号打开输出锁存器的三态门送出结果。33ADC0809的工作过程根据时序图，ADC0809的工作过程ADC0809与系统的连接模拟输入端INi单路输入模拟信号可固定连接到任何一个输入端地址线根据输入线编号固定连接(高电平或低电平)多路输入时ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输入0输入1输入2输入3输入4CPU指定通道号单路输入时ADDCADDBADDAIN4ADC0809输入+5V多路输入模拟信号按顺序分别连接到输入端要转换哪一路输入，将其编号送到地址线上(动态选择)34ADC0809与系统的连接模拟输入端INi多路输入时ADD地址线ADDA-ADDC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：锁存器74LS273，74LS373等（要占用一个I/O地址）可编程并行接口8255（要占用四个I/O地址）CPU用一条OUT指令把通道地址通过接口芯片送给0809ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输入DB74LS273Q2Q1Q0CP来自I/O译码D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0/CS来自I/O译码D0-D7A1A0A1A035地址线ADDA-ADDCADDCIN0ADC0809输DB7数据输出线D0-D7内部已接有三态门，故可直接连到DB上也可另外通过一个输入接口与DB相连上述两种方法均需占用一个I/O地址D0-D7ADC0809DBOE来自I/O译码直接连DBD0-D7ADC0809DBOE来自I/O译码通过输入接口连DB74LS244+5VDIDO/E1/E236数据输出线D0-D7D0-D7ADC0809DBOE来自I/地址锁存ALE和启动转换START

独立连接：用两个信号分别进行控制——需占用两个I/O端口或两个I/O线(用8255时)；

统一连接：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——只需占用一个I/O端口或一个I/O线(用8255时)。

ADC0809ALESTART独立连接来自I/O译码1来自I/O译码2ADC0809ALESTART统一连接来自I/O译码37地址锁存ALE和启动转换STARTADC0809ALE独立连

转换结束信号EOC软件延时等待(比如延时1ms)——不用EOC信号CPU效率最低软件查询EOC状态EOC通过一个三态门连到数据总线的D0(其他也可以)三态门要占用一个I/O端口地址CPU效率低把EOC作为中断申请信号，接到8259的IR端在中断服务程序中读入转换结果，效率高38转换结束信号EOC3839398255地址：378H—37BH408255地址：408255地址：378H—37BH450001000011101111418255地址：45000100001110111141450010000000000010节42450010000000000010节42第8章模拟量的输入输出43第8章模拟量的输入输出1第8章节目录8.1模拟量的输入输出通道8.2数/模（D/A）转换器8.3模/数（A/D）转换器章44第8章节目录8.1模拟量的输入输出通道章2第8章作业8.10;8.14章45第8章作业8.10;章3

模拟量I/O接口的作用：实际工业生产环境——连续变化的模拟量

例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量

计算机内部——离散的数字量二进制数、十进制数工业生产过程的闭环控制

概述模拟量D/A传感器执行元件A/D数字量数字量模拟量模拟量输入(数据采集)模拟量输出(过程控制)计算机46模拟量I/O接口的作用：概述模拟量D/A传感器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478.1模拟量I/O通道的组成模拟接口电路的任务模拟电路模拟量输入通道传感器（Transducer）非电量→电压、电流变送器（Transformer）转换成标准的电信号信号处理（SignalProcessing）放大、整形、滤波

多路转换开关（Multiplexer）多选一采样保持电路（SampleHolder，S/H）保证变换时信号恒定不变A/D变换器（A/DConverter）模拟量转换为数字量

48模拟量输入通道传感器（Transducer）6模拟量输出通道D/A变换器（D/AConverter）数字量转换为模拟量低通滤波平滑输出波形放大驱动提供足够的驱动电压，电流节49模拟量输出通道D/A变换器（D/AConverter）节78.2数/模（D/A）变换器8.2.1D/A变换器的技术指标分辨率（Resolution）输入的二进制数每±1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。一般用输入数字量的位数来表示:如8位、10位例：一个满量程为5V的10位DAC，±1LSB的变化将使输出变化5/(210-1)=5/1023=0.04888V=48.88mV508.2数/模（D/A）变换器8.2.1D/A变换器的D/A转换器的主要技术指标转换精度（误差）实际输出值与理论值之间的最大偏差。一般用最小量化阶⊿来度量，如±1/2LSB

也可用满量程的百分比来度量，如0.05%FSR(LSB-LeastSignificantBit,FSR-FullScaleRange)51D/A转换器的主要技术指标转换精度（误差）9转换时间从开始转换到与满量程值相差±1/2LSB所对应的模拟量所需要的时间tV1/2LSBtCVFULLD/A转换器的主要技术指标52转换时间tV1/2LSBtCVFULLD/A转换器的主要技8.2.2典型D/A转换器DAC0832

8位电流输出型D/A转换器T型电阻网络差动电流输出538.2.2典型D/A转换器DAC083211DAC0832内部结构54DAC0832内部结构12引脚功能D7～D0：输入数据线ILE：输入锁存允许/CS：片选信号/WR1：写输入锁存器上述三个信号用于把数据写入到输入锁存器/WR2：写DAC寄存器/XFER：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动转换VREF：参考电压，-10V～+10V，一般为+5V或+10VIOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出AGND、DGND：模拟地和数字地55引脚功能D7～D0：输入数据线13工作时序D/A转换可分为两个阶段：/CS=0、/WR1=0、ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器；/WR2=0、/XFER=0，数据传送到DAC寄存器，并开始转换。写输入寄存器写DAC寄存器56工作时序D/A转换可分为两个阶段：写输入寄存器写DAC寄存器工作方式单缓冲方式使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通。CPU只需一次写入即开始转换。控制比较简单。57工作方式单缓冲方式15

双缓冲方式（标准方式）转换要有两个步骤：将数据写入输入寄存器/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：数据接收与D/A转换可异步进行；可实现多个DAC同步转换输出——

分时写入、同步转换58双缓冲方式（标准方式）1659176018双缓冲方式——同步转换举例A10-A0译码器0832-10832-2port1port2port361双缓冲方式——同步转换举例A10-A0译码器0832-108双缓冲方式的程序段示例MOVAL，data1;要转换的数据送ALMOVDX，port1;0832-1的输入寄存器地址送DXOUTDX，AL;数据送0832-1的输入寄存器MOVAL，data2;要转换的数据送ALMOVDX，port2

;0832-2输入寄存器地址送DXOUTDX，AL;数据送0832-2的输入寄存器MOVDX，port3;DAC寄存器端口地址送DXOUTDX，AL;数据送DAC寄存器，并启动同步转换HLT62双缓冲方式的程序段示例MOVAL，data1;要直通方式

/CS=0、/WR1=0、ILE=1

/WR2=0、/XFER=0

特点：0832一直处于转换状态，模拟输出始终跟踪数据输入的变化。0063直通方式0021D/A转换器的应用函数发生器——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。直流电机的转速控制。64D/A转换器的应用函数发生器——只要往D/A转换器写入按规律6523MODDX，278HMOVAL，0NEXT：OUTDX，ALDECALJMPNEXT反向锯齿波正向锯齿波？节66MODDX，278H反向锯齿波8.3模/数（A/D）转换器用途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。类型计数型A/D变换器双积分型A/D变换器逐位反馈型A/D变换器

678.3模/数（A/D）转换器用途258.3.1工作原理及技术指标逐次逼近型A/D转换器结构：由D/A转换器、比较器和逐次逼近寄存器SAR组成。688.3.1工作原理及技术指标逐次逼近型A/D转换器26主要技术指标精度量化间隔(分辨率)=Vmax/电平数(即满量程值)例：某8位ADC的满量程电压为5V，则其分辨率为 5V/255=19.6mV

量化误差:用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量字长有限而无法精确地表示连续量所造成的误差。(字长越长，精度越高)69主要技术指标精度27主要技术指标（续）转换时间：转换一次需要的时间。精度越高（字长越长），转换速度越慢。输入动态范围：允许转换的电压的范围。如0～5V、0～10V等。绝对量化误差=量化间隔/2=(满量程电压/(2n-1))/2相对量化误差=1/2*1/量化电平数目*100%例：满量程电压=10V，A/D变换器位数=10位，则

绝对量化误差≈10/211=4.88mV相对量化误差≈1/211*100%=0.049%70主要技术指标（续）转换时间：转换一次需要的时间。精度越高（字典型的A/D转换器简介ADC08098通道（8路）输入8位字长逐位逼近型转换时间100μs内置三态输出缓冲器71典型的A/D转换器简介ADC080929引脚功能D7～D0：输出数据线（三态）IN0～IN7：8通道（路）模拟输入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道选择）ALE：通道地址锁存START：启动转换EOC：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）CLK：时钟输入（10KHz～1.2MHz）VREF(+)、VREF(-)：基准参考电压72引脚功能D7～D0：输出数据线（三态）30ADC0809内部结构STARTEOCCLKOED7D0VREF(+)VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比较器8路模拟开关逐位逼近寄存器SAR树状开关电阻网络三态输出锁存器时序与控制地址锁存及译码D/A8个模拟输入通道8选173ADC0809内部结构STARTEOCCL工作时序①②③④⑤74工作时序①②③④⑤32ADC0809的工作过程根据时序图，ADC0809的工作过程如下：①把通道地址送到ADDA～ADDC上，选择模拟输入；②在通道地址信号有效期间，ALE上的上升沿将该地址锁存到内部地址锁存器；③START引脚上的下降沿启动A/D变换；

④变换开始后，EOC引脚呈现低电平，EOC重新变为高电平时表示转换结束；⑤OE信号打开输出锁存器的三态门送出结果。75ADC0809的工作过程根据时序图，ADC0809的工作过程ADC0809与系统的连接模拟输入端INi单路输入模拟信号可固定连接到任何一个输入端地址线根据输入线编号固定连接(高电平或低电平)多路输入时ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输入0输入1输入2输入3输入4CPU指定通道号单路输入时ADDCADDBADDAIN4ADC0809输入+5V多路输入模拟信号按顺序分别连接到输入端要转换哪一路输入，将其编号送到地址线上