第13章模拟输入输出技术课件

模拟量与数字量模拟量——连续变化的物理量数字量——时间和数值上都离散的量模拟/数字转换器ADCDAC数字/模拟转换器13.1模拟输入输出系统传感器将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号（模拟电压或电流）

放大器把传感器输出的信号放大到ADC所需的量程范围低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比13.2数模（D/A）转换器将数字信号转换为模拟信号的器件称为数模转换器或D/A转换器（DigitaltoAnalogConverter），简称DAC。D是输入n位的数字量，Vo是输出的模拟量，VREF是参考电压（又称基准电压），它通常是一个恒定的模拟量。三者之间满足以下的关系：Vo=K×D×VREF （13.1）式中，K是常数，不同类型的D/A转换器对应各自的K值。假设D=Dn-1×2n-1+Dn-2×2n-2+…+D0×20= （13.2）将式（13.2）代入式（13.1），得Vo=K×VREF× （13.3）说明了D/A转换器的输入数字量和输出模拟量之间满足正比关系。13.2.1D/A转换原理常用的D/A转换器可分为权电阻网络DAC、T型电阻网络DAC、倒T型电阻网络DAC和电流激励型DAC等。二．倒T型电阻网络式D/A转换器13.2.2D/A主要性能指标1．DAC分辨率DAC分辨率是指最小输出电压VLSB和满量程输出电压VFSR之比。n位二进制D/A转换器的分辨率一般用2-n来表示。

2．DAC转换精度DAC转换精度是指实际转换得到的输出值与理论值之间的误差程度，可分为绝对精度和相对精度两种衡量标准。绝对精度是指每个输出值接近理论值的程度。相对精度一般用绝对精度相对于满度量程输出的百分比表示。3．DAC建立时间建立时间是指DAC输出电压到达规定范围（终值的1/2最低有效位）时所需要的时间。建立时间越短越好。DAC芯片DAC0832是典型的8位电流输出型典型1.DAC0832的数字接口8位数字输入端DI0～DI7（DI0为最低位）输入寄存器（第1级锁存）的控制端ILE、CS*、WR1*DAC寄存器（第2级锁存）的控制端XFER*、WR2*直通锁存器的工作方式两级缓冲寄存器都是直通锁存器LE＝1，直通（输出等于输入）LE＝0，锁存（输出保持不变）LE2LE1DAC0832输入锁存器DI0～DI7D/A转换器DAC锁存器Iout1DAC0832的工作方式：直通方式LE1＝LE2＝1输入的数字数据直接进入D/A转换器LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：单缓冲方式LE1＝1，或者LE2＝1两个寄存器之一始终处于直通状态另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：双缓冲方式两个寄存器都处于受控（缓冲）状态能够对一个数据进行D/A转换的同时；输入另一个数据LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout12.DAC0832的模拟输出Iout1、Iout2——电流输出端Rfb——反馈电阻引出端（电阻在芯片内）VREF——参考电压输入端＋10V～－10VAGND——模拟信号地VCC——电源电压输入端＋5V～＋15VDGND——数字信号地3.地线的连接三、DAC0832的模拟输出方式（1）单极性输出数字量经过DAC0832转换之后直接得到的输出信号是模拟电流IOUT1和IOUT2，若要得到电压输出，应加一级运算放大器，此时是单极性的电压输出，即输出电压为0~-5V（VREF接+5V）或0~-10V（VREF接10V），若要形成正电压输出，则VREF需接负电压。（2）双极性输出若要进一步得到双极性的电压输出，即输出电压为-VREF~+VREF，还应引入电压偏移电路。13.2.4 D/A转换接口技术数字量经过CPU处理之后，需由D/A转换器完成数字量到模拟量的转换。由于集成DAC内部结构的不同，有的DAC内部带有锁存器，有的则不带有锁存器。如果有锁存器，连接CPU与转换器相对比较简单，而如果没有锁存器，则应选择适当的外部锁存器，如74LS373，74LS273等然后再与系统总线相连。一、有输入锁存器D/A与PC机的连接这类D/A器件可以直接和PC机的数据总线连接，如DAC0832芯片内部自带有两级锁存器，而这里采用单缓冲方式，即第一级输入锁存器锁存，第二级D/A锁存器直通。由外部控制信号直接控制输入锁存器的锁存。片选信号由地址译码后产生。【例13.1】假设DAC0832工作在单缓冲方式下，单极性输出，端口地址为350H，VREF=-5V，现利用该转换器进行数字量到模拟量的转换，产生一个如图所示的三角波。首先确定上、下限所对应的数字量。根据计算可得输出电压的上、下限所对应的数字量分别为：上限：Dup=3×28/5=153.6=99H下限：Ddowm=1×28/5=51.2=33HTRIANGPROC FARMOV DX，350H MOV CX，066H MOV AL，33HZ1： OUT DX，AL ；送D/A输出，形成上升斜坡 INC AL ；AL加1 LOOP Z1 ；循环102次 MOV CX，066HZ2： DEC AL OUT DX，AL ；输出下降斜坡 LOOP Z2 JMP Z1 RETTRIANG ENDP输出正向锯齿波2次数据输出的时间间隔02LSB1LSB255LSB254LSB锯齿波周期 movdx,portd moval,0repeat: outdx,al incal jmprepeat二、不带输入锁存器D/A与PC机的连接这类D/A转换器由于本身不带有锁存器，因此在与CPU连接时，必须外加一个锁存器。8位不带锁存器DAC0808与系统总线的连接示意图：外加的锁存器为74LS273，该芯片利用CLK负脉冲将输入端的数据锁存，在输出端稳定出现锁存时的数据。【例13.2】如图13.11所示，假设译码器输出地址为0030H，8位数字量放在数据段的1000H中，将其转换成模拟量的程序片断如下： MOV BX，1000H MOV DX，0030H MOV AL，[BX] OUT DX，AL ；锁存到74LS273中，并转换以上讨论的均是8位的D/A转换器，对于超过8位的DAC与系统相连时，需要注意以下两点：（1）如果CPU外部数据总线为8位，则要分两次送数据，带锁存的DAC的高位和低8位相连，然后分两次送数，编程时注意高低位的调整或移位。（2）如果CPU外部数据总线为16位或以上，只需将DAC相应位与CPU数据线连接即可。12.3A/D转换器模拟量数字量模拟/数字转换器ADC13.3.1 A/D转换的步骤 一、采样和保持二、量化和编码13.3.2ADC的主要技术指标1．ADC分辨率是指ADC能够分辨最小量化信号（输入最小模拟电压值）的能力，与数据位数有关，位数越多，分辨率越高。对于n位二进制的ADC来说，分辨率为：分辨率=满量程输入模拟电压值/2n习惯上采用位数表示分辨率:8位、10位、12位、16位等。2．ADC转换精度转换精度是指A/D转换器输出的理论值与真实值之间的差值，它可以分为绝对精度和相对精度两种。绝对精度是指ADC实际值与理论值之间的最大差值，通常以VLSB或LSB的倍数来表示。相对精度则是用绝对精度与满量程输出比值，通常用满量程FSR（VFSR或IFSR）的百分数来表示。3．ADC转换时间转换时间是指完成一次A/D转换所需要时间。13.3.3ADC工作原理存在多种A/D转换技术，各有特点，分别应用于不同的场合3种常用的转换技术并行高速式双积分式逐次比较式1.并行式编码电路VinVREF数字输出比较器RRRRRRR/2R/2特点是转换速度极快，但是当该ADC的位数增加时所需电压比较器和数据寄存器的数目将以几何级数增加。仅适用于3、4、5位等的转换，或与逐次比较式ADC混合使用，以提高转换位数。2.双积分式两个积分阶段实质是电压/时间变换双积分式ADC的特点是转换精度高，抗干扰能力强，但由于要进行两次积分，因此转换速度低，适用于对速度要求不高的场合，如数字式测试仪表（三用表）、温度测量等。3.逐次比较式从最高位开始的逐位试探法特点是转换速度相对较快，对于n位A/D转换器只需n个时钟脉冲即可完成一次转换，且转换精度高，因此在数字系统中得到了广泛的应用。如ADC0809就是8位逐次比较式A/D转换器。13.3.4 典型ADC芯片ADC0809具有A/D转换的基本功能CMOS工艺制作8位逐次比较式ADC转换时间为100s包含扩展部件多路开关三态锁存缓冲器ADC0809的内部结构图1.ADC0809的模拟输入提供一个8通道的多路开关和寻址逻辑IN0～IN7：8个模拟电压输