第8章 模拟量输入输出通道接口技术

第8章模拟量输入输出通道接口技术数字计算机处理的信号是用二进制表示的数字量的电信号。实际上被控设备的工作信号是多种多样的，如声音信号、温度信号、压力信号、湿度信号、速度信号等。这些信号的共同特点都是连续变化的模拟信号。计算机要对这些信号进行处理，必须先将非电的模拟信号转换成电信号，然后再转换成数字信号。被处理后的数字信号再转换成模拟信号去控制外部设备等。本章主要教学内容：①计算机控制系统的一般组成及处理过程。②数据采集、信号转换和模数转换一般方法。③多路选择的实现④数字量到模拟量转换的实现。这部分的内容在教材的第9章8.1计算机控制系统的一般组成及处理过程。8.1.1计算机控制系统的模型计算机系统前向通道后向通道①②③1.前向通道模数转换采用保持多路选择传感器信号转换信号放大传感器信号转换信号放大计算机系统①传感器：用某种可以度量的物理量来描述被测物体的器件。②信号转换：将传感器获得的非电信号量通过电路转换为电信号。③信号放大电路：将小信号的电信号通过放大器放大为适合处理的电信号。目前很多公司已将这三部分集成在一起，称传感器变送单元。如Motorola公司的温度变送单元、压力变送单元等。④多路选择开关：通过多了选择开关可以实现对多个传感器信号进行处理。⑤采样保持电路：由于AD转换器在转换时需要一定的时间，而且在转换过程中需要输入信号保持不变。采样电路就是起这样的作用的。⑥模数转换器：将模拟量转化为数字量，通过接口送计算机处理。目前很多AD转换芯片都将多路选择开关、采样保持电路与模数转换器集成在一个芯片中。如ADC0809。2.计算机系统它是整个控制系统的核心。首先接收前向通道送来的待处理信号，然后按照用户事先编好的程序进行处理，最后将处理的结果通过接口送被控制的设备（或送显示，如仪表系统），控制设备的工作。3.后向通道如果是设备，它就接收计算机系统的控制信号，必要时将数字信号转化为模拟信号，然后再放大，驱动设备自动工作。如果是仪表，就显示被被测量的结果。8.1.2多路选择开关在计算机测控系统中，往往需要对多个参数进行测控，由于计算机速度很快，被测参数的变化又很慢，所以通常采用一台微机分时对多路信号进行采集和处理。为了达到这一目的。必须使得计算机在某一时刻只选择某一通道与之相连，其他通道与之断开。多路选择开关就是完成这一任务的器件。选择译码电路ABC选择0选择7输出输入0输入7选择0选择7选择1选择2CBA选中000选择0001选择1010选择2011选择3100选择4101选择5110选择6111选择7K0K1K2K3K4K5K6K7选择多路选择开关注意事项：①无触点；②要求信号在全量程范围内无损耗（或损耗较小且一致性要好）；③在信号的频率范围内一致性和线性度要好；（在信号的全频范围内无衰减）；④通道一致性要好；⑤延迟响应要快；⑥温度漂移要小；⑦选择控制要方便简单。8.1.3采样保持器由于AD转换都需要一定时间来完成量化和编码，如果直接将模拟输入信号送AD转换，由于在转换过程中，输入的模拟信号发生变化将会影响转换精度，这对于同步控制系统来说是不允许的。所以要求输入到AD转换器的信号在AD转换期间保持不变。因此必须先对模拟输入信号进行采样，并将采样的数据保存直到AD转换结束。承担该项任务的芯片就是采样保持器目前很多AD转换芯片都将多路选择开关、采样保持电路模拟量转换数字量采样后的离散信号A/D转换A/D转换后的数字信号10110011模拟量输入信号采样器选择采样保持器注意事项：①采样保持器的采样频率必须大于输入信号的频率的两倍才能保证输出信号不失真；根据奈魁斯采样定理，采样频率只要大于等于信号最高频率的两倍，就能够不失真描述被采样的信号。人耳可以分辨的音频频率范围为20Hz～20kHz，现在，几乎所有的声卡的采样频率都达到44.1kHz。②温度稳定性要好；③响应速度要快。8.2模拟量输入通道接口技术8.2.1AD转换模拟量输入通道的任务就是将输入的模拟量转换成计算机可以处理的用二进制表示的数字量。AD转换器就是完成这一任务的芯片。AD转换芯片的种类很多，价格差异非常大。选择时重点考虑以下因素：①转换速度；②是否包含多路开关和采样保持电路、采样频率及带宽；③数字量的位数；④是否自带基准参考电源电路；⑤零漂；⑦温度稳定性是否好；⑥与系统的接口控制是否方便。8.2.28位AD转换器ADC08091.ADC0809芯片功能ADC0809是个低速的AD转换芯片；具有8路通道模拟量输入。输入通道选择由输入通道地址译码锁存器完成；采用单电源供电；8位数据输出的逐次逼近型模数转换芯片。2.ADC0809芯片引脚功能IN7~IN0:8个模拟量输入端；START:启动信号，高电平启动AD转换开始;EOC:转换结束信号，AD转换结束输出高电平脉冲，可作为中断申请信号；OE:输出允许信号，高电平有效，允许从AD转换器的输出锁存器中输出AD转换结果；CLOCK:实时时钟信号输入端500KHz~1MHz;ALE:地址锁存允许端。高电平将C、B、A信号锁存在地址锁存器中；C、B、A：8输入通道选择地址译码信号。ALECBA被选中的通道1000IN01001IN11010IN21011IN31100IN41101IN51110IN61111IN7D7~D0:8位数字量输出。VREF(+)、VREF(-):参考电源输入。对于单极性电源VREF(+)=+5V,VREF(-)=0V。VCC、GND:工作电源＋5V和地。8.2.3ADC0809AD转换器的接口电路。ADC0809与微机接口通信方式主要有中断通信方式和查询工作方式。都是利用转换结束信号EOC来实现的。D0IN0A15-A0IOR#IOW#D7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA译码器ADC0809INTR8.2.4ADC0809AD转换器应用实例。实例1、(教材例8.1)采用的是程序查询方式。将EOC经过三态门（同向器）连接到数据线的D7。CPU通过START启动ADC0809后不断检查D7，如果D7=1(EOC=1)，就表明AD转换已经结束，可以读转换结果。读EOC=1的状态地址238H。根据电路图：通道(IN0~IN7)的地址220H~227H。VCCIN0IN7IN6IN4IN3IN2IN1IN5EOCGNDCLKOEVREF(＋)VREF(-)STARTADDAADDBADDCALED7~D0500KHz译码A0A9~A3A2A1IOWIOR238H~23FH220H~227HADC0809IN指令产生IOROUT指令产生IOW011D7参考程序：DATASEGMENTCOUNTEREQU8BUFDBCOUNTERDUP(0)DATAENDPCODESEGMENGASSUME:CS:CODE,DS:DATASTART:MOVAX,DATAMOVDS,AXMOVBX,OFFSETBUF

MOVCX,COUNTERMOVDX,220H；置IN0地址START1:OUTDX,AL；启动AD转换（产生START)PUSHDX；保存IN0地址到堆栈

MOVDX,238H

；置状态地址START2:INAL,DX；检查D7（EOC)是否等于1TESTAL,80H(10000000)JZSTART2POPDX；转换结束，恢复IN0地址

INAL,DX；读转换结果（产生OE)

MOV[BX],AL；保存转换结果到BUFINCBX;修改BUF指针

INCDX；修改通道号

LOOPSTART1；判8个通道是否

…都转换过。

MOVAH,4CHINT21HCODEENDSEDNSTART8.3数/模

(D/A)转换芯片及接口8.3.1DAC的主要性能指标(1)分辨率：分辨率是当输入数字量发生单位数码变化（即1LSB）时，所对应的输出模拟量的变化量，即等于模拟量输出的满量程值的1/(2-1)（N为数字量位数）。分辨率也可以用相对值1/(2-1）百分率表示。在实际应用中，又常用数字量的位数来表示分辨率。(2)转换精度:转换精度是指一个实际的D/A转换器与理想的D/A转换器相比较的转换误差。精度反映D/A转换的总误差。包括绝对精度和相对精度。

N

N①绝对精度:对应于给定的满刻度数字量，D/A实际输出与理论值之间的误差。该误差是由于D/A的增益变化、零点漂移和噪声等引起的，一般应低于±1/2LSB。②相对精度:在满刻度已经校准的情况下，在整个刻度范围内对应于任一数码的模拟量输出与理论值之差。（3）线性误差:相邻两个数字输入量之间的差应该是±1LSB，即理想的转换特性应是线性的。在满刻度范围内，偏离理想的转换特性的最大值称线性误差。（4）建立时间:当D/A转换器的输入数据发生变化后，输出模拟量达到稳定数值，即进入规定的精度范围内所需要的时间。（5）温度系数:D/A转换器的各项性能指标一般在环境温度为25℃下测定。环境温度的变化会对D/A转换精度产生影响，这一影响分别用失调温度系数、增益温度系数和微分非线性温度系数来表示。这些系数的含义是当环境温度变化1℃时该项误差的相对变化率，单位是×10/℃。-68.3.28位数模转换器DAC0832集成D/A芯片类型很多，按生产工艺分有双极型、MOS型等；按字长分有8位、10位、12位等；按输出形式分有电压型和电流型。另外，不同生产厂家的产品，其型号各不相同。例如，美国国家半导体公司的D/A芯片为DAC系列，如DAC0832等；美国模拟器件公司的D/A芯片为AD系列，如AD558等。使用时可参阅各公司提供的使用手册。主要A/D与D/A芯片生产厂家：美国模拟技术公司ADI:

http///德州仪器公司TI:http///美国国家半导体公司NS:

飞利浦公司Philips:

MAXIM公司:摩托罗拉公司Motorola:DAC0832典型的电流输出型通用DAC芯片，20条引线，双列直插式，内部具有两级数据寄存器。DAC0832具有以下特性：输出差动电流数字量输入具有双重缓冲内部具有数据寄存器，可以直接和处理机系统相连分辨率为8位，建立时间为1us，满量程误差±1LSB电源为+5V~+15V，基准电压范围−10V~+10V，功耗20mW1．DAC0832的内部结构和引脚模拟输出通道用来将数字信号变成模拟的电流或电压。由数模（D/A）转换器来完成。一般要还经过低通滤波，使其输出波形平滑。如果需要，可以采用功率放大器作为模拟量输出的驱动电路。DAC08321202193184176158139121011AGNDDI3VREFRFBDGNDVCCILEIOUT2IOUT1751614

CS

WR1DI2DI1DI0

WR2XFERDI4DI5DI6DI7DI7DI0:D/A转换器的数字量输入引脚。其中DI0为最低位，DI7为最高位。/CS:片选信号输入端，低电平有效。/WR1:输入寄存器的写信号，低电平有效。ILE:输入寄存器选通信号，高电平有效。ILE信号和/CS、/WR1共同控制选通输入寄存器。当CS、WR1均为低电平，而ILE为高电平时，ILE=0，输入数据被送至8位输入寄存器的输出端；当上述三个控制信号任一个无效时，ILE变高，输入寄存器将数据锁存，输出端呈保持状态。/XFER:从输入寄存器向DAC寄存器传送D/A转换数据的控制信号，低电平有效。/WR2:DAC寄存器的写信号，低电平有效。当XFER和WR2同时有效时，输入寄存器的数据装入DAC寄存器，并同时启动一次D/A转换。VCC:芯片电源，其值可在+5+15V之间选取，典型值取+15V。AGND:模拟信号地。DGND:数字信号地。RFB:内部反馈电阻引脚，用来外接D/A转换器输出增益调整电位器。VREF:D/A转换器的基准电压，其范围可在−10~+10V内选定。该端连至片内的R–2RT型电阻网络，由外部提供一个准确的参考电压。该电压精度直接影响着D/A转换精度。IOUT1:D/A转换器输出电流1，当输入全1时，输出电流最大。当输入为全0时，输出电流最小，即为0。IOUT2:D/A转换器输出电流2，它与IOUT1有如下关系：IOUT1+IOUT2=常数D/A转换没有形式上的启动信号。实际上将数据写入第二级寄存器的控制信号就是D/A转换器的启动信号。另外，它也没有转换结束信号，D/A转换的过程很快，一般还不到一条指令的执行时间。2．DAC0832的接口(1)数据输入连接方式单缓冲方式MOVDX，280H；设DAC0832的地址为280HOUT DX，AL ；AL内数据送DAC转换DI7~DI0CS1WR2WRXFERILE地址译码IOWD7~D0+5VDAC08322．DAC0832的接口双缓冲方式MOVDX，200H；DAC0832的输入锁存器的地址为200HOUTDX，AL

；AL中数据DATA送输入寄存器MOVDX，201H；DAC0832的DAC锁存器的地址为201HOUTDX，AL

；数据DATA写入DAC锁存器并转换DI7~DI0ILE地址译码D7~D0+5VDAC0832A0200H201HCS1WR2WRXFERIOW2．DAC0832的接口直通方式MOV DX，PA8255 ；8255的A口地址为PA8255OUT DX，AL ；AL中数据送A口锁存并转换8255ADI7~DI0ILEPA7~PA0+5VDAC0832CS1WR2WRXFER(2)输出方式DAC0832以电流形式输出转换结果，若要得到电压形式的输出，需要外加I/V转换电路，常采用运算放大器实现I/V转换。①单极性输出对于单极性输出电路，输出电压为：REFOUTV256DV-=式中D为输入数字量的十进制数。因为转换结果IOUT1接运算放大器的反向端，所以式中有一个负号。若VREF=+5V，当D=0255(00HFFH)时，VOUT=−(04.98)V。IOUT1IOUT2AGNDRFBVREFDI7~DI0VoutDAC0832(2)输出方式DAC0832以电流形式输出转换结果，若要得到电压形式的输出，需要外加I/V转换电路，常采用运算放大器实现I/V转换。①双极性输出对于双极性输出电路，输出电压为：若VREF=+5V，当D=0时，VOUT1=0，OUT=−5V；当D=128(80H)时，VOUT1=−