第8章模拟量的输入输出

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D/A转换器的工作原理、连接及编程A/D转换器的工作原理、连接及编程8.1测控通道结构

测控通道的输入/输出有模拟信号和离散信号(包括脉冲信号、开关信号和数字信号)之分。离散信号可经简单的数字接口与计算机相连，而模拟信号则必须进行变换：输入的模拟信号经模数转换电路ADC转换成数字量送入计算机，计算机输出的数字信号经数模转换电路DAC转换成模拟量去控制模拟设备。8.1.1检测通道结构1.结构框图检测通道负责数据采集，其结构如图8-1所示。图(a)是模拟信号检测通道结构框图。传感器感知、检测被测对象连续变化的物理量，将其转换成连续变化的模拟电信号送到下一级。使用不同材料和工艺制作的传感器很多，感知转换的原理也各不相同，它们可对各种不同的物理量如温度、湿度、流量、速度、压力、位移、角度……直到各种生理指标、色谱分析、辐射状况等进行感知、量测、传送。

模拟信号必须用A/D转换器转换成计算机能识别的数字信号。A/D转换的方法和电路很多，性能各异，应根据系统的要求选择合适的A/D转换器。A/D转换器一般要求输入电压信号，若传感器送出的是电流信号则要先进行电流-电压（I-V）变换；对微弱信号要由高精度、高开环增益的运算放大器进行放大，接着进行“信号调理”，把对应满量程的输入信号放大到规定幅度，再由增益放大器放大以达到A/D转换器满量程输入时的幅度要求。在干扰较大的现场，可采用线性隔离放大器或线性光电隔离器去除干扰，但这两种电路的响应频率不高，仅适用于低频场合。6A/D转换需要一定的时间，高速模拟输入信号在A/D转换期间其值可能已发生很大变化，因此必须用采样-保持（S-H）电路把采样时刻模拟量的值保持住（不再变化），直到转换完毕；然后更新采样值，进行下一次转换。当有多个模拟信号输入时，为了能共用S-H电路、A/D转换器和微机，使用多路转换开关，可分时地接通多个不同的信号源，进行放大、采样、转换和计算机处理。在图(a)中，多路开关之后是各个输入模拟通道的公共部分。图(b)是离散信号检测通道结构框图。检测的是脉冲信号、开关信号或数字信号等离散量，传感器送来的信号经放大整形、电平变换后，通过并行、串行等数字接口送入微机进行处理。

2.检测通道特点

检测通道的任务就是对被检测对象进行准确的数据采集。为了测量的可靠与精确，减少传输过程的干扰和损耗，通常将检测通道和传感器做在一起，放到被测对象的现场中，使检测通道和计算机系统分开。检测对象的多样性和检测环境的复杂性，决定了检测通道的设计丰富多变。使用不同的传感器和变换器，通道的模块结构及信息的传输形式各不相同。不管什么结构的检测通道，其共同点就是要把被检测的信号准确地转换成计算机能识别的具有TTL电平的数字信号，供计算机处理。检测结果失准便没有实际意义。由于检测器置于被测对象的现场，容易受到各种干扰，因此在小信号检测中，抗干扰设计是十分重要的内容。在信号的识别、放大、传输整个过程中，都要充分注意抗干扰问题。

8.1.2控制通道结构

1.结构框图控制通道输出控制信号给受控对象，对受控对象实施预期目标的控制。控制通道的结构如图9-2所示。若受控装置是离散信号控制的数控装置，计算机输出的控制信号通过数字接口经光电隔离和功率放大后直接施控；若受控对象是模拟信号控制的设备，则须经D/A转换后施控；微机经D/A转换器可输出多路控制信号，通过1TOm的多路转换开关对多个受控对象实施群控。92.控制通道特点计算机总线信号为TTL电平，负载能力很小，而受控对象则多种多样，一般要求较大的控制电压或电流。因此，控制通道具有如下特点：

n

小信号输入，大功率控制。计算机送来的控制信号必须经功率放大电路不失

真地加以放大，放大到受控对象所要求的电功率，再实施控制。

n有效的抗干扰措施。受控对象一般是强电磁部件，例如电机使用的电磁启动

器等，受控过程中不可避免地会产生强电磁干扰，有效的抗干扰措施是确保

整个控制系统正常工作的必要条件。

11模拟量的输入输出通道12模拟量I/O通道：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接口输入通道输出通道变送器13模拟量的输入通道传感器（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14模拟量的输出通道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15闭环控制系统应用案例水泥厂增湿塔出口温度控制系统16数/模（D/A）变换器17掌握：D/A变换器的工作原理D/A变换器的主要技术指标DAC0832的三种工作模式DAC0832的应用18一、D/A变换器的工作原理组成：模拟开关电阻网络运算放大器VrefRf

模拟开关电阻网络VO数字量∑19基本变换原理当运放的放大倍数足够大时，输出电压VO与输入电压Vin的关系为：VinRf

VO∑R

20基本变换原理若输入端有n个支路,则输出电压VO与输入电压Vi的关系为：VinRf

VO∑R1Rn…21n=8的权电阻网络2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf

VOS1S2S3S4S5S6S7S822基本变换原理如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为若Si=1,该项对VO有贡献；若Si=0,该项对VO无贡献23基本变换原理如果用8位二进制代码来控制图中的S1～S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，则不同的二进制代码就对应不同输出电压VO；当代码在0～FFH之间变化时，VO相应地在0～(255/256)Vref之间变化；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R-2R梯形电阻网络，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。24实际的D/A转换器

——R-2R梯形电阻网络25二、主要技术指标分辨率（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。分辨率表示方法：可用输入数字量的位数来表示，如8位、10位等；也可用一个LSB（LeastSignificantBit）使输出变化的程度来表示。26分辩率例一个满量程为5V的10位D/A变换器，±1LSB的变化所引起输出模拟量的变化为：5/(210-1)=5/1023=0.04888V=48.88mV27转换精度（误差）实际输出值与理论值之间的最大偏差影响转换精度的因素：分辩率电源波动温度变化┇28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tV1/2LSBtCVFULL29三、典型D/A转换器DAC0832特点：8位电流输出型D/A转换器T型电阻网络差动输出30DAC0832的内部结构31主要引脚功能输入寄存器控制信号：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32主要引脚功能用于DAC寄存器的控制信号：WR2：写DAC寄存器XFER：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器33主要引脚功能其它引线：VREF：参考电压。-10V～+10V，一般为+5V或+10VIOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出。用于连接运算放大器的输入Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出AGND、DGND：模拟地和数字地34工作模式单缓冲模式双缓冲模式无缓冲模式35单缓冲模式使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通，即芯片只占用一个端口地址。CPU只需一次写入即开始转换。写入数据的程序为：

MOVDX，PORTMOVAL，DATAOUTDX，AL36单缓冲模式例利用教材图8-12所示线路图输出三角波：端口地址：0278H最大输出值5V，对应数字量：FFH最小输出值0V，对应数字量：00HMOVDX，0278HMOVAL，0NET1：OUTDX，ALINCALCMPAL，0FFHJNZNET1DECALNET2：OUTDX，ALDECALCMPAL，0JNZNET2JMPNET137双缓冲模式（标准模式）对输入寄存器和DAC寄存器均需控制。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DAC寄存器控制信号有效时，数据才写入DAC寄存器，并启动变换。此时芯片占用两个端口地址。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。38工作时序写输入寄存器写DAC寄存器39双缓冲模式同步转换例译码器A10-A00832-10832-2port1port2port340MOVAL，data

MOVDX，port1OUTDX，ALMOVDX，port2OUTDX，ALMOVDX，port3OUTDX，ALHLT双缓冲模式的数据写入程序0832-1的输入寄存器地址0832-2的输入寄存器地址DAC寄存器地址41无缓冲器模式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。不能直接与数据总线连接，需外加并行接口(如74LS373、8255等)。42四、D/A转换器的应用信号发生器

用于闭环控制系统向D/A转换器写入某种按规律变化的数据，即可在输出端获得相应的各种波形43模/数（A/D）转换器44要点：A/D转换器的一般工作原理A/D转换器的主要技术指标A/D转换器的应用与系统的连接数据采集程序的编写45A/D转换器用于将连续变化的模拟信号转换为数字信号的装置，简称ADC，是模拟系统与计算机之间的接口部件。46A/D转换器类型计数型A/D转换器

-------速度慢、价格低，适用于慢速系统双积分型A/D转换器

-------分辩率高、抗干扰性好、转换速度慢，适用于中速系统逐位反馈型A/D转换器

-------转换精度高、速度快、抗干扰性差47一、A/D转换器的工作原理逐位反馈型A/D转换器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48二、主要技术指标转换精度量化误差非线性误差其它误差总误差=各误差的均方根49量化间隔一个最低有效位对应的模拟量

△=Vmax/（2n-1）例：某8位ADC的满量程电压为5V，则其分辨率为：5V/255=19.6mV50量化误差绝对量化误差绝对量化误差=1/2△相对量化误差相对量化误差=（1/2）х△

х100%例：

设满量程电压=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%51转换时间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。52输入动态范围允许转换的电压的范围。如0～5V、0～10V等。53三、典型的A/D转换器芯片ADC0809：8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54主要引脚功能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ALE：通道地址锁存START：启动转换EOC：转换结束状态输出OE：输出允许（打开输出三态门）CLK：时钟输入（10KHz～1.2MHz）55内部结构IN7IN08个模拟输入通道STARTEOCCLKOED7D0VREF(+)VREF(-)ADDCADDBADDAALE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选156工作时序57ADC0809的工作过程由时序图知ADC0809的工作过程如下：送通道地址，以选择要转换的模拟输入；锁存通道地址到内部地址锁存器；启动A/D变换；判断转换是否结束；读转换结果58ADC0809的工作流程送通道地址通道地址锁存启动A/D变换转换结束否？送OE开门信号读取转换结果YN59判断转换结束的方法软件延时等待（比如延时120us）此时不用EOC信号，CPU效率最低软件查询EOC状态。把EOC作为中断申请信号，接到8259的IN端。在中断服务程序中读入转换结果，效率较高60ADC0809的应用芯片与系统的连接通常情况下需要经数字接口与系统连接编写相应的数据采集程序从数据采集到存储61ADC0809与系统的连接例单路模拟量输入：D0IN0A15--A0

D7--D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA译码器ADC0809数字I/O接口输出接口IORIOW62ADC0809与系统的连接例D0IN0A15--A0IORIOWD7--D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA译码器ADC0809I/O接口数字I/O接口IN7┇多路模拟量输入：63数据采集程序流程

初始化

送通道地址送ALE信号送START信号读EOC