常见外设接口及应用4

会计学1常见外设接口及应用48.4模拟输入输出接口本章学习要求1.了解模拟输入输出系统。2.了解常用DAC和ADC的主要性能指标。3.掌握常用ADC和DAC接口芯片（DAC0832,ADC0809）的应用。4.结合已学第6章中的接口芯片,并能应用实际中如与8255,8254的综合应用等.第1页/共66页8.4.1模拟输入输出系统计算机测量控制系统计算机控制对象传感器放大器滤波器A/DD/A放大器执行部件第2页/共66页8.4.2模拟输出接口技术一、DAC工作原理二、DAC主要指标三、典型DAC芯片四、DAC接口技术五、应用举例第3页/共66页一、DAC工作原理1.运算放大器2.反相比例电路3.反相求和电路4.T型电阻网络式D/A转换器第4页/共66页1.集成运算放大器+-VoI-I+V+V-

V-

V+开环放大倍数

K

=Vo反相输入端同相输入端第5页/共66页1.集成运算放大器集成运算放大器的特点：1.开环放大倍数非常大（105-107）。输出Vo受电源电压限制，绝对值一般在15V以下，故：两输入端的差值非常小，即:V+=V-(称虚短路)2.输入阻抗非常大。输入端的电流非常小，即：

I+=I-=0（称虚断路）3.输出阻抗非常小。输出端驱动能力大，带负载能力强。第6页/共66页1.集成运算放大器理想运算放大器：1.开环放大倍数→∞。

V+=V-(称虚短路)2.输入阻抗→∞。

I+=I-=0（称虚断路）3.输出阻抗=0。

实际的运算放大器非常接近理想运放大器。第7页/共66页2.反相比例电路RoIf+-RiVoViIiI-I+V+V-反馈电阻第8页/共66页2.反相比例电路反相比例电路特点：V-=V+=0(虚短路）：Ii=Vi

-V-Ri=Vi

RiIf=V-

-VoRo=Vo

RoI-=I+=0(虚断路）：Ii=If+I-=If所以：即在理想运算放大器下，放大倍数与运放外部的电阻有关与运放本身的参数无关

RoIf+-RiVoViIiI-I+V+V-Vi

Ri=Vo

RoVoVi=

Ro

Ri第9页/共66页3.反相求和电路+-RoVoIfI-I+V+V-R1I1R2I2R3I3R4V1V2V3V4I4第10页/共66页3.反相求和电路反相求和电路特点：+-RoVoIfI-I+V+V-R1I1R2I2R3I3R4V1V2V3V4I4I1+I2+I3+I4=If+I-=IfV1

R1+V2

R2+V3

R3+V4

R4=

Vo

RoVo

=-(Ro

R1V1+Ro

R2V2

+Ro

R3V3

+Ro

R4V4)第11页/共66页4.T型电阻网络式D/A转换器原理分析：D/A转换器将数字量转换成模拟量

输入量是数字量，输出量是模拟量。输出量与输入量应成比例关系，即：

Vo=D×Vi数字量D=Dn-1…D1…D0B=Dn-1×2n-1+…+D1×21+D0×20

将数字量的每一位按权值转换为对应的模拟量，再将各模拟量相加，所得之和就是整个数字量对应的模拟量。第12页/共66页4.T型电阻网络式D/A转换器D/A转换电路的组成：VREF基准电压电阻网络+-RoVo数字量输入模拟开关运算放大器模拟量输出第13页/共66页4.T型电阻网络式D/A转换器T型电阻网络式D/A转换器：数字量Vo+-RoVREFSn-1Dn-12RIn-1RSn-2Dn-22RIn-2RS1D12RI1RS0D02RI02RI=VREF/RI/21I/22I/2n-1I/2nIi模拟量模拟开关T型电阻网络参考电压第14页/共66页4.T型电阻网络式D/A转换器T型电阻网络特点:只有R和2R两种电阻;各节点向左和向上看的等效电阻均为2R;整个网络的等效电阻为R。第15页/共66页4.T型电阻网络式D/A转换器若共有n条分支，各支电流Ij

为：In-1

=In-2

=VREF21RVREF22RI0

=121I=122I=I==2n-1VREF2nR=2n-2VREF2nR=20VREF

2nR12nVREF2nR第16页/共66页4.T型电阻网络式D/A转换器输入数字量Dj控制模拟开关Sj：

当Dj

为0时，开关Sj

接地，支电流Ij

流向地；当Dj

为1时，开关Sj

接运放，支电流Ij流向运放。第17页/共66页4.T型电阻网络式D/A转换器流入运放的电流Ii

为各支电流之和：

Ii=Dn-1×In-1+Dn-2×In-2+…+D1×I1+D0×I0

=(Dn-1×2n-1+…+D1×21+D0×20)=DVREF2nRVREF2nR第18页/共66页4.T型电阻网络式D/A转换器输出电压

Vo=-Ii×Ro=-D=D×△

即输出Vo与输入数字量成正比。调整Ro

和VREF

可调整模拟输出电压Vo。△为最低位数字量变化时对应的模拟输出增量=-VREFRo2nRVREFRo2nR第19页/共66页4.T型电阻网络式D/A转换器例：8位D/A转换器如图，基准电压VREF=10V，Ro=R。第20页/共66页4.T型电阻网络式D/A转换器10

R28RVREFRo2nR分析△=-=-=-0.039V当数字量为00000000B时，Vo=0当数字量为00000001B时，Vo=1×

△=-0.039V当数字量为10000000B时，Vo=128×

△=-5V

当数字量为11111111B时，Vo=255×

△=-9.96V

基准电压VREF=10V，Ro=R：

输出电压Vo=-Ii

×

Ro=-D=D×

△VREFRo2nR第21页/共66页4.T型电阻网络式D/A转换器注意：当数字量为全1时，输出Vo并不等于VREFI/21I/22I/2n-1I/2n原因是第22页/共66页4.T型电阻网络式D/A转换器数字输入量模拟输出量000001010011100101110111实际满量程标称满量程

对单极性n位转换器：上例中标称满量程

FS=2n×

△-10V实际满量程

=(2n–1)×

△-9.96V

第23页/共66页二、DAC主要指标1.分辨率2.转换精度3.线性误差4.建立时间5.转换速率第24页/共66页二、DAC主要指标1.分辨率

指D/A转换器所能产生的最小模拟增量，是数字量最低有效位LSB所对应的模拟值△。10...00第25页/共66页二、DAC主要指标

常用相对值（百分值）表示。分辨率=△

/

满量程

=△

/

(

2n×

△)

=

1/

2n

也可直接用D/A转换器的位数表示。如：8位D/A转换器的分辨率为8位。

10位D/A转换器的分辨率为10位。第26页/共66页二、DAC主要指标

2.转换精度指模拟输出实际值与理想输出值之间的偏差。用于衡量D/A转换器将数字量转换成模拟量时，所得模拟量的精确程度。数字量理想值实际值

00h0

-0.001V01h

-0.039V

-0.041V10h

-5V

-5.002VFFh

-9.96V

-9.968V第27页/共66页二、DAC主要指标

注意：精度与分辨率是两个不同的参数。

精度取决于D/A转换器各个部件的制作误差。

分辨率取决于D/A转换器的位数。第28页/共66页二、DAC主要指标

3.线性误差理想情况下DAC的转换特性应该是线性的，但实际上输出特性并非是理想线性的。数字输入量模拟输出量实际满量程标称满量程000001010011100101110111实际特性理想特性线性误差将实际转换特性偏离理想转换特性的最大值称为线性误差。第29页/共66页二、DAC主要指标4.建立时间指从数字输入端发生变化(如从全“0”变为全“1”)

到模拟输出达到稳定(即终值±1/2LSB)所需的时间。

一般为几十ns到几个μs例

DAC0832为1μs00HFFH0V-9.96V第30页/共66页二、DAC主要指标第31页/共66页二、DAC主要指标

5.转换速率指大信号工作状态下，模拟输出电压的最大变化速度。主要取决于运算放大器的参数。单位V/μs建立时间越大，转换速率越低。应用时，应选择转换速率大于数字输入信号变化率。-5.0V-9.96V第32页/共66页三、典型DAC芯片-DAC0832芯片8位并行、中速(建立时间1us)、电流型、低廉。

20个引脚、双列直插式第33页/共66页三、典型DAC芯片-DAC0832芯片DAC0832结构框图:

它由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器三大部分组成，D/A转换器采用了T型R-2R电阻网络。8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器VREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFB第34页/共66页三、典型DAC芯片-DAC0832芯片8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器VREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFBVREF：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压基准源。UREF可在-10V至+10V范围内选择。VCC：芯片电源电压（一般取+5V～+15V）。第35页/共66页三、典型DAC芯片-DAC0832芯片8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器VREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFBDGND：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。AGND：模拟地，是放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。

任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的“地”，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，由于噪声容限较高，通常是不需要考虑“地”的形式的，但对于模拟电路而言，这个不同地方的“地”对测量的精度是构成影响的，因此，通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分开布线，只在板中的一点把它们连接起来。第36页/共66页三、典型DAC芯片-DAC0832芯片8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器VREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFBDI7～DI0：数字量输入信号。其中DI0为最低位，DI7为最高位。Rfb：反馈电阻引出端,此端可接运算放大器输出端。第37页/共66页三、典型DAC芯片-DAC0832芯片8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器VREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFBIOUT1：DAC输出电流1。当DAC锁存器中为全1时，IOUT1最大（满量程输出），约为；为全0时，IOUT1为0。一般接运放的负输入端。IOUT2：DAC输出电流2。它作为运算放大器的另一个差分输入信号。满足IOUT1+IOUT2＝满量程输出电流。一般接运放的正输入端（接地）。255VREF256RFB第38页/共66页三、典型DAC芯片-DAC0832芯片8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器VREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFBILE：输入锁存允许信号，高电平有效。

CS：片选信号，低电平有效。WR1：写信号1，低电平有效。当ILE、CS、WR1同时有效时:LE=1，输入寄存器的输出随输入而变化。WR1上升沿:

LE下降沿，将输入数据锁存到输入寄存器。LE下降沿锁存第39页/共66页三、典型DAC芯片-DAC0832芯片第40页/共66页三、典型DAC芯片-DAC0832芯片8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器VREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFBLE下降沿锁存XFER：转移控制信号，低电平有效。WR2：写信号2，低电平有效。当XFER、WR2同时有效时：LE=1，DAC寄存器输出随输入而变化。WR2上升沿：LE下降沿，将输入数据锁存到DAC寄存器，数据进入D/A转换器，开始D/A转换。第41页/共66页四、DAC接口技术DAC0832与微机系统的连接：1)单缓冲工作方式一个寄存器工作于直通状态，另一个工作于受控锁存器状态

2)双缓冲工作方式两个寄存器均工作于受控锁存器状态，第42页/共66页四、DAC接口技术1)单缓冲工作方式:

一个寄存器工作于直通状态，

一个工作于受控锁存器状态在不要求多相D/A同时输出时，可以采用单缓冲方式，此时只需一次写操作，就开始转换，可以提高D/A的数据吞吐量。第43页/共66页四、DAC接口技术+-Voport数据线地址译码PC总线IOWA0~A9D0~D7+5VCSDAC0832DI0~DI7IOUT1IOUT2RFBXFER

WR2WR1ILE单缓冲工作方式:

输入寄存器工作于受控状态DAC寄存器工作于直通状态第44页/共66页四、DAC接口技术PC总线I/O写时序A15~A0CLKIOWT4T1T2T3TwD7~D0port转换一个数据的程序段：MOVAL,data;取数字量MOVDX,portOUTDX,ALD/A转换IOUT2DI7~DI0LE2IOUT1LE1CSWR1ILE&WR2XFER&输入寄存RFB-+VoIOWA9~A0D7~D0+5VPC总线port地址译码DAC寄存第45页/共66页四、DAC接口技术port数据线地址译码PC总线IOWA0~A9D0~D7+5VXFERDAC0832DI0~DI7+-VoIOUT1IOUT2RFBCS

WR1WR2ILE单缓冲工作方式:

输入寄存器工作于直通状态DAC寄存器工作于受控状态第46页/共66页四、DAC接口技术PC总线I/O写时序A15~A0CLKIOWT4T1T2T3TwD7~D0port转换一个数据的程序段：MOVAL,data;取数字量MOVDX,portOUTDX,ALIOUT2DI7~DI0LE1CSWR1ILE&输入寄存VoD7~D0+5VPC总线portWR2IOWA9~A0XFERD/A转换LE2IOUT1RFB-+DAC寄存地址译码&第47页/共66页四、DAC接口技术

2)

双缓冲工作方式:两个寄存器均工作于受控锁存器状态DAC0832PC总线数据线WR1IOWDI0~DI7D0~D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB

WR2CS地址译码A0~A9XFERVREF-5Vport1port2DGNDAGND第48页/共66页四、DAC接口技术转换一个数据的程序段：MOVAL,data;取数字量MOVDX，port1OUTDX,AL;打开第一级锁存MOVDX,port2OUTDX,AL;打开第二级锁存IOUT2DI7~DI0LE1CSWR1ILE&输入寄存VoD7~D0+5VPC总线port2WR2IOWA9~A0XFERD/A转换LE2IOUT1RFB-+DAC寄存地址译码&port1第49页/共66页四、DAC接口技术当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。思考：相应的程序如何编写？地址译码port1XFERWR2CSWR1ILE+D/A转换DI7~DI0Vo1port2XFERWR2CSWR1ILE+D/A转换DI7~DI0Vo2port3DAC0832DAC0832D7~D0A9~A0IOWPC总线+5v+5v第50页/共66页四、DAC接口技术code

SEGMENTASSUMECS:code,DS:codedatav1DB11h,12h,13h,14h,15h,16h,17h,18h,19h,1Ahdatav2DB21h,22h,23h,24h,25h,26h,27h,28h,29h,2Ahstart:MOVAX,code MOVDS,AXLEASI,data_v1 LEABX,data_v2 MOVCX,10next: MOVAL,[SI];取V1的数据

OUTport1,AL

;打开第一片0832第一级锁存

MOVAL,[BX];取V2的数据

OUTport2,AL;打开第二片0832第一级锁存

OUTport3,AL

;打开两片0832的第二级锁存

INCSI INCBX LOOPnext MOVAH,4CH INT21Hcode ENDS

END

start编程：利用上图，将datav1和datav2处的两组数据，一一对应转换成模拟量同时输出。第51页/共66页五、应用举例例1：连线如图，计算当数字量为0CDH时的输出Vo。DAC0832PC总线数据线WR1IOWDI0~DI7D0~D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB

WR2DGNDCS地址译码A0~A9XFERVREF-5Vport1port2转换一个数据的程序段：MOVAL,0CDHMOVDX，port1OUTDX,ALMOVDX,port2OUTDX,AL第52页/共66页五、应用举例分析：

当数字量为0FFH=255时，IOUT1=Vo=-IOUT1

×RFB=-

所以：当数字量为0CDH=205，VREF=-5V时：

Vo=-

=4V数据线WR1IOWDI0~DI7D0~D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB

WR2DGNDCS地址译码A0~A9XFERVREF-5Vport1port2第53页/共66页五、应用举例注意：

Vo的输出与参考电压VREF、以及输出的连接方法（同相还是反相）有关。数据线WR1IOWDI0~DI7D0~D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB

WR2DGNDCS地址译码A0~A9XFERVREF-5Vport1port24V上例中，若VREF接的是-10V,则Vo=8V

-10V8V10V若VREF接的是10V,则Vo=-8V-8V第54页/共66页五、应用举例例2

利用上例连线图，编程输出一锯齿波。tVo4V0V第55页/共66页五、应用举例codeSEGMENT

ASSUMECS:codestart:MOVCX,8000H;波形个数

MOVAL,0;锯齿谷值next:MOVDX,port1;打开第一级锁存

OUTDX,ALMOVDX,port2;打开第二级锁存

OUTDX,AL

CALLdelay

;控制锯齿波的周期

INCAL;修改输出值

CMPAL,0CEH;比较是否到锯齿峰值

JNZnext;未到跳转

MOVAL,0;重置锯齿谷值

LOOPnext

;输出个数未到跳转

MOVAH,4CH;返回DOSINT21H；子程de