微机原理课件-第9章模拟量的输入输出

第9章模拟量的输入/输出1第9章模拟量的输入/输出

№

29.1模拟接口的组成9.2模/数转换器及接口9.3数/模转换器及接口9.4模拟量输入/输出综合举例第9章模拟量的输入/输出

3在许多工业生产过程中，计算机系统需要处理的物理量往往是随时间连续变化的模拟量，如电压、电流等电信号，或者声、光、压力和温度等非电物理量。非电物理量需要通过合适的传感器等转换成电信号模拟量只有转换成数字量才能被计算机采集、分析和计算处理。另一方面，为了实现对生产过程的控制，有时把计算机输出的数字量转换为模拟信号，以驱动执行机构工作。CPU与模拟外设之间的接口电路称为模拟接口，模拟接口是计算机监测与控制系统中不可缺少的组成部分。9.1模拟接口的组成4【学习目标】

掌握模拟量输入输出通道的基本概念，熟悉了解模/数、数/模通道的基本组成及工作原理。【主要内容】

模拟量输入输出通道的基本组成和工作原理模/数转换通道数/模转换通道模拟量输入输出通道的组成5工业生产过程的模拟信号由模/数（AnalogtoDigit，A/D）转换通道转换成数字信号，由计算机进行分析处理；计算机输出的数字信号经过数/模（DigittoAnalog，D/A）转换通道转换成模拟信号，并经驱动电路放大后，送往执行部件对工业过程进行控制。模拟量输入输出通道的组成69.1.1模/数转换通道的组成7A/D转换器将连续变化的模拟信号转换成计算机可以处理的TTL电平或MOS电平的数字信号，它属于计算机输入设备。一般模/数转换通道由传感器、信号处理、多路转换开关、采样保持器以及

A/D转换器组成。9.1.1模/数转换通道的组成81.传感器传感器将非电物理量转换成电信号(电流或电压)，一般由电容、电阻、电感或敏感材料组成。2.信号处理在A/D转换器与传感器之间一般接有信号放大处理电路，主要有以下几个原因：1）传感器输出的电信号往往与ADC需要的输入电压信号不相匹配。需要将传感器信号进行变换与放大处理，转换成与ADC输入相匹配的电压信号。2）传感器工作在现场，可能存在复杂的电磁干扰，通常采用RC低通滤波器或有源滤波技术，滤除叠加在传感器输出信号上的高频干扰信号。9.1.1模/数转换通道的组成93.多路转换开关工业生产过程中要监测或控制的模拟量可能不止一个，数据采集系统往往需要对多路模拟信号进行采集、转换。由于工业生产过程中被采集的物理量通常是缓慢变化的，因此，可以只用一片A/D转换芯片，轮流选择输入信号进行采集，既节省了硬件开销，又不影响对系统的监测与控制。许多A/D转换芯片内部具备多路转换开关，一片A/D转换芯片可以轮流采集多路模拟输入信号。如果A/D转换芯片不具有多路转换功能，则在A/D转换之前外加模拟多路转换开关。9.1.1模/数转换通道的组成104.采样/保持器A/D转换器将模拟信号转换成数字信号需要一定的时间。为了避免因模拟信号变化过快致使A/D转换器来不及转换，一般可根据实际需要使用采样保持电路对模拟信号进行稳定。对于变化较快的模拟信号如果不采取采样保持措施，将会引起转换误差。对于慢速变化的模拟信号，则无需采样保持电路，不会影响A/D转换的精度。9.1.1模/数转换通道的组成114.采样/保持器采样/保持示意图在采样状态下，电路的输出跟踪输入的模拟信号在保持状态下，电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直到进入下一次采样状态为止。9.1.1模/数转换通道的组成124.采样/保持器采样/保持器的基本原理图由模拟开关、存储元件(电容)和运算放大器组成在VC的控制下，模拟开关S接通，Vi对CH充电，由于运算放大器接成同相输入方式的随极跟随器，那么Vo跟随Vi的变化。当VC的电平使得模拟开关S断开时，电容CH两端已充电后的电压短时间内保持不变，运算放大器的输出电压Vo保持9.1.1模/数转换通道的组成135.A/D转换器A/D转换器是模/数转换通道的核心环节，其功能是将模拟输入电信号转换成数字量(二进制数或BCD码等)，以便由计算机读取、分析处理，并依据它发出对生产过程的控制信号。A/D转换的方法很多，常用的有计数式、逐次逼近式、双积分式、并行比较型/串并行比较型、

-

调制型、电容阵列逐次比较型以及压频变换型等。9.1.2数/模转换通道的组成14计算机输出的信号是以数字的形式给出的，有时需要将计算机输出的数字量转换成模拟的电流或电压，这个任务主要由数/模（D/A）转换器来完成。它属于计算机输出设备。9.1.2数/模转换通道的组成15D/A转换器主要由电阻网络、电流开关、基准电压和运算放大器组成，如图所示。电阻网络是D/A转换的核心部件，其主要网络形式为权电阻网络和R-2R梯形电阻网络。D/A转换芯片内部通常设有数据锁存器，可以与CPU的数据总线直接相连。电流开关和电阻网络组成D/A转换器内部的D/A转换电路，将锁存的数字量转换成模拟电流信号。为了增强驱动能力，此电流信号通常需要经过运算放大器放大并变换成电压信号输出。9.1.2数/模转换通道的组成16D/A转换器的输出形式有电压、电流两大类。通常D/A转换器的输出电压范围有0~+5V，0~+10V，0~±2.5V、0~±5V以及0~±10V几种。对于非标准的输出电压范围，可以在输出端再加运算放大器调整。有些场合需要输出电流信号，以便与标准仪表相配合或满足长距离传输的要求。在实际应用中，经常选用电流输出型的芯片外加运算放大器实现电压输出9.2模/数转换器及接口17【学习目标】

掌握模/数转换器的主要技术指标，ADC0809的工作原理及外特性，及其与微处理器接口的工作原理和编程方法。【主要内容】

模/数转换器的主要技术指标ADC0809的外特性ADC0809与微处理器的接口9.2.1模/数转换器的主要技术指标181.分辨率分辨率（Resolution）反映A/D转换器对输入模拟量的分辨能力，通常用数字输出最低位（LSB）变化为1时，所对应的模拟输入量变化的电平值表示。由于分辨率与A/D转换器输出的数字量位数直接相关，所以也可简单地用数字量的位数来表示分辨率。位数越高，分辨率越高。例如：满量程为+5V的8位A/D转换器能分辨的模拟量最小值为

而同样量程的10位A/D转换器能够分辨的模拟量最小值为量程相同的10位A/D转换器的分辨率要高得多9.2.1模/数转换器的主要技术指标192.精度精度（precision）是指转换的结果相对于实际值的偏差，有绝对精度和相对精度两种表示方法。对应于输出的一个数字量，实际的模拟输入电压与理想的模拟输入电压之差的最大值定义为“绝对误差”。通常用最低位(LSB)的倍数来表示，如±0.5LSB或±1LSB等。绝对精度除以满量程值的百分数就是“相对精度”，或称“相对误差”。分辨率与精度是两个不同的概念。相同分辨率的A/D转换器其精度可能不同分辨率高但精度不一定高，而精度高则分辨率必然也高。9.2.1模/数转换器的主要技术指标203.量程量程（满刻度范围—FullScaleRange）是指所能转换的输入模拟电压的变化范围，分单极性和双极性两种类型。例：单极性转换器的量程为0~10V，

双极性的量程为-5V~+5V。4.转换时间转换时间（ConversionTime）是指完成一次A/D转换所需的时间，即发出启动转换命令，到转换结束信号有效，输出得到稳定的数字量所需的时间。转换时间的倒数称为转换速率（ConversionRate）。这两个参数是表示转换速率快慢的重要参数。通常，A/D转换器的分辨率越高，转换速率越快，价格也越高。在实际应用中，应根据模拟量的变化速度，从实际需要出发，慎重选择。9.2.1模/数转换器的主要技术指标215.线性度误差理想的转换器特性应该是线性的，即模拟量输入与数字量输出成线性关系。线性度误差(LinearityError)是转换器实际的模拟数字转换关系与理想直线之间的最大误差。一般情况下，误差应小于9.2.2可编程A/D转换器ADC080922ADC0809是逐次逼近型的8路模拟量输入、8位数字量输出的A/D转换器，采用CMOS工艺制作，单极性输入，量程为0~+5V，转换时间为100μs。片内带有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线接口。性能价格比较高，可应用于对精度和采样速度要求不高的场合或一般的工业控制领域，9.2.2可编程A/D转换器ADC0809231.ADC0809的内部结构ADC0809采用双列直插式封装，共有28个引脚，9.2.2可编程A/D转换器ADC080924ADC0809由模拟量输入、A/D转换器和三态输出锁存缓冲器三部分组成。①模拟量输入部分8路模拟开关可采集8路模拟信号，并通过地址锁存与译码逻辑选择8路中的一路进行转换。：8路模拟信号输入端。单极性电压输入，输入电压范围0~5V。如信号过小，则需要进行放大，且模拟量的变化不宜过快。对变化速度快的模拟量，可在输入前加采样保持电路。ALE：地址锁存允许信号，输入。高电平有效，用于锁存ADDA、ADDB、ADDC的状态。9.2.2可编程A/D转换器ADC080925①模拟量输入部分ADDA、ADDB、ADDC：地址输入端，其中ADDA为低位地址，ADDC为高位地址，用于选择8路模拟输入量中的一路。

地址编码与输入选通的关系ADDCADDBADDA选中模拟通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN79.2.2可编程A/D转换器ADC080926②A/D转换部分主要由控制与时序电路、逐次逼近寄存器SAR及由树状开关和电阻网络构成的A/D转换电路组成，是A/D转换器的核心部分，其功能就是将选中的模拟输入量转换为数字量。START：启动A/D转换控制信号，输入。其上升沿使内部逐次逼近寄存器清0，下降沿启动A/D转换。EOC：转换结束信号，输出。A/D转换开始时变为低电平，且在A/D转换过程中保持低电平，转换结束时变为高电平。CLK：时钟脉冲输入端。外加时钟脉冲的频率范围为

，通常使用频率为500kHz的时钟信号。REF（+）、REF（-）：参考电压输入端，提供内部A/D转换电路的基准电平。一般设置为REF（+）=+5V，REF（-）接地。Vcc：接+5V工作电源。GND：接地端。9.2.2可编程A/D转换器ADC080927③三态输出锁存器经A/D转换后的数字量保存在8位的三态输出锁存缓冲器中，当输出允许信号OE有效时，打开三态门，将转换后的数据通过D7~D0输出到CPU数据总线上。三态输出锁存器在芯片内部电路与外部数据总线之间起到隔离缓冲作用，使ADC0809能够直接与CPU接口。D7~D0：8位数字量输出，可直接与CPU的数据总线相连。OE：输出允许信号，输入，高电平有效。当OE为高电平，三态门打开，输出转换得到的数字量；当OE为低电平，输出数据线呈高阻状态。2.ADC0809的工作过程28ADC0809的时序2.ADC0809的工作过程29当模拟量送至某一输入通道后，通过三位地址选择要对哪一路模拟量进行转换，并由地址锁存允许ALE锁存使ADC0809的启动信号START为正脉冲，其上升沿使逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换，并使输出转换结束信号EOC变为低电平A/D转换结束后，EOC变为高电平，转换后的数字量保存到8位输出锁存缓冲器中当输出允许信号OE高电平有效时，输出三态缓冲器打开，转换结果送到数据总线上使用时可将EOC信号短接到OE端，也可利用EOC信号向CPU申请中断。9.2.3ADC0809与微处理器的接口30【例9-1】ADC0809芯片通过8255A与8088CPU的接口。9.2.3ADC0809与微处理器的接口31【例9-1】ADC0809芯片通过8255A与8088CPU的接口。ADC0809的输出数据通过8255的PA口输入给CPU地址输入信号ADDA、ADDB和ADDC以及地址锁存信号ALE由8255的PB口的PB0~PB3提供。A/D转换的状态信息EOC则由PC4输入。分析：根据接口电路以及数据的输入方式，选择8255A的工作方式。如以查询方式读取A/D转换后的结果，则8255A可设定A口为输入，B口为输出，均为方式0，PC4为输入设8255A的端口地址为0FCH~0FFH。9.2.3ADC0809与微处理器的接口32【例9-1】ADC0809芯片通过8255A与8088CPU的接口。A/D转换的程序33ORG1000HSTART:MOVAL,98H;8255A初始化，方式0，A口输入，B口输出 MOVDX,0FFH;8255A控制字端口地址

OUTDX,AL;送8255A方式字

MOVAL,0BH;送IN3输入端地址及ALE地址锁存信号

MOVDX,0FDH;8255A的B口地址

OUTDX,AL;送IN3通道地址

MOVAL,1BH;

OUTDX,AL;启动A/D转换

MOVAL,0BH

OUTDX,AL;

MOVDX,0FEH;8255A的C口地址TEST:INAL,DX;读C口状态 ANDAL,10H;检测EOC状态 JSTEST;如未转换完，再测试；转换完则继续 MOVDX,0FCH;8255A的A口地址 INAL,DX;读转换结果9.3数/模转换器及接口34【学习目标】

掌握数/模转换器的主要技术指标，DAC1210的工作原理及外特性，及其与微处理器接口的工作原理和编程方法。【主要内容】

数/模转换器的主要技术指标12位D/A转换器DAC1210的外特性DAC1210与微处理器的接口9.3.1数/模转换器的主要技术指标35D/A转换器与A/D转换器的主要技术指标基本相同，概念上略有不同。分辨率:反映D/A转换器对微小输入变化量的敏感程度，通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位等。位数越高，分辨率越高。绝对精度：对应于给定的满刻度数字量，D/A转换器实际输出的模拟量与理论值之间的偏差。该误差是由D/A的增益误差、零点误差和噪声等引起的。一般应低于2-(n+1)或±LSB。相对精度：在满刻度已校准的情况下，在整个刻度范围内对应于任意数字量的模拟量输出与理论值之差。可用该偏差值相当于最低位LSB的倍数，或该偏差相当于满量程值的百分比表示。对于线性的D/A转换器，相对精度就是非线性误差。9.3.1数/模转换器的主要技术指标36建立时间（SettingTime）：指D/A转换器输入的数字量由全0变化为全1时，其输出的模拟量达到稳定（一般稳定到满量程值±1/2LSB的范围内）所需的时间。一般为几十毫微秒到几个微秒，一般来说D/A转换器的转换速度比A/D转换器要快得多。线性误差（LinearityError）：相邻两个数字量对应的模拟输出量的差别应该是1LSB，即理想的转换器特性应该是线性的。在满刻度范围内，转换器实际的转换特性曲线与理想直线之间的最大误差称为线性误差。一般情况下，线性误差应小于±1/2LSB。温度系数（TemperatureCoefficients）：在规定的范围内，相应于每变化1℃，增益、线性度、零点及偏移等参数的变化量。温度系数直接影响转换精度。9.3.2可编程D/A转换器DAC121037DAC1210是美国国家半导体公司生产的12位D/A转换器，为24引脚双列直插式封装12位的数据输入端，低4位与高8位分别连接到一个4位和一个8位的输入寄存器两个输入寄存器的输入允许控制都要求CS和WR1为低电平，但8位输入寄存器的数据输入还要求B1/B2端为高电平。DAC1210引脚功能38：片选信号，低电平有效。：写控制信号1，低电平有效。此信号为高电平时，两个输入寄存器都不接收新数据。当此信号有效时，与

配合起控制作用。：字节控制。此端为高电平时，12位数字同时送入输入寄存器。此端为低电平时，只将12位数字量的低4位送到4位输入寄存器中。DI11~DI0：12位数字量输入。：数据转换控制信号，低电平有效，与

配合使用。：写控制信号2，低电平有效。此信号有效时，

信号才起作用。DAC1210引脚功能39VRef：参考电压。Rfb：外部放大器的反馈电阻接线端。IOUT1：D/A电流输出端1。IOUT2：D/A电流输出端2。DGND：数字地。AGND：模拟地DAC1210的工作方式40①双缓冲工作方式。DAC1210芯片内有两个数据寄存器，在双缓冲工作方式下，CPU首先将数据写入输入寄存器，再将输入寄存器的内容写入到DAC寄存器。连接方式：

均接到CPU的

，

和分别接到两个端口的地址译码信号。双缓冲方式的优点是DAC1210的数据接收和启动转换可异步进行。可以在D/A转换的同时，进行下一数据的接收，以提高模拟输出通道的转换速率，可实现多个模拟输出通道同时进行D/A转换。DAC1210的工作方式41②单缓冲工作方式。此方式是使两个寄存器中任一个处于直通状态，另一个工作于受控锁存器状态。一般是使DAC寄存器处于直通状态，即把

和

端都接数字地。使，数据只要一写入DAC芯片，就立刻进行数模转换。此种工作方式可减少一条输出指令，在不要求多个模拟输出通道同时刷新模拟输出时，可采用此种方式。③直通工作方式。将

和

引脚直接接数字地，使控制端始终有效，则芯片处于直通状态。

此时，12位数字量一旦到达DI11~DI0输入端，就立即进行D/A转换而输出。但在此种方式下，DAC1210不能直接和CPU的数据总线相连接，故很少采用。9.3.3DAC1210与微处理器的接口42D/A转换器与微处理器接口的连接信号包括数据线、地址线和控制线。微处理器的数据总线与DAC的数据输入端相连，需要在数据总线和D/A转换器输入端之间加锁存器。内部有数据锁存器的D/A转换器芯片与CPU接口时，无须外加锁存器，其数据输入端可与CPU数据总线直接相连。当CPU对D/A转换器执行一次写操作，即可将8位数字量锁存到8位锁存器，作为D/A转换器的输入数据。当D/A转换器的分辨率大于8位时，在与8位数据总线接口时，就需要采取适当措施。【例9-2】DAC1210与IBMPC的接口43DAC1210输入数据线的高8位DI11~DI4与IBMPC的数据总线DB7~DB0相连；低4位DI3~DI0接至IBMPC数据总线的DB7~DB4上12位的数据输入应由两次写入操作完成。电流输出端接运算放大器，转换为电压输出【例9-2】DAC1210与IBMPC的接口44DAC1210占用0250~0252H三个端口地址AB0地址线经反向驱动器接至B1/B2端。由于DAC1210中的4位寄存器的LE1端及8位输入寄存器均受CS和WR1控制，故对8位及4位寄存器的两次写入操作均使4位寄存器的内容更新。【例9-2】DAC1210与IBMPC的接口45操作步骤：先使

B1/B2端为高电平（A0=1，即地址0251H），写入高8位寄存器；再使B1/B2端为低电平（A0=0，即地址0250H），进行第二次写入操作，将待转换数字量的低4位写入到输入寄存器，此时高8位不变。DAC寄存器的地址为0252H，当执行对0252H端口的写操作时，锁存到输入寄存器内的12位数字量写入DAC寄存器的同时，启动D/A转换。【例9-2】DAC1210与IBMPC的接口46完成一次转换输出的程序。;设BX寄存器中低12位为待转换的数字量START:MOVDX,0250H;DAC1210的基地址MOVCL,04SHLBX,CL ;BX中的12位数左移4位MOVAL,BH ;高8位数→ALOUTDX,AL ;写入高8位INCDX ;修改DAC1210端口地址MOVAL,BL ;低4位数→ALOUTDX,AL ;写入低4位INCDX ;修改DAC1210端口地址OUTDX,AL ;启动D/A转换9.4模拟量输入/输出综合举例47以一个简单的由8086CPU和模数转换器、数模转换器组成的工业过程闭环控制系统为例，介绍模拟量接口的实际应用。【例9-3】一个由8086CPU和模数转换器ADC0809、数模转换器DAC0832构成的闭环控制系统如下页所示。9.4模拟量输入/输出综合举例48【例9-3】由8086CPU和模数转换器ADC0809、数模转换器DAC0832构成的闭环控制系统如图所示。9.4模拟量输入/输出综合举例49ADC0809和DAC0832均通过并行接口8255A与CPU接口。8255A中端口A工作在方式0，完成输出功能，用来向数模转换器DAC0832输出8位数字信息。端口B工作在方式1，完成输入功能，用来接收由模数转换器ADC0809输入的8位数字信息。端口C作为控制口使用，其中PC7用作模数转换器ADC0809的启动信号，PC2用作输入的STBB信号，PC0用作中断请求信号INTRB，通过中断控制器8259A向CPU发中断请求。8255A和8259A的工作方式都需要通过初始化程序来定义。9.4模拟量输入/输出综合举例50DAC0832为带输入锁存器的8位D/A转换器，其内部结构及操作特性与DAC1210类似。由8255A端口A输出的8位数字信息，经数模转换器DAC0832转换成模拟量。它输出的模拟量是电流值，因此，DAC0832常与运算放大器一起使用，以便将模拟电流放大并转换为模拟电压。控制现场的模拟信息经传感器和运算放大器变换为一定范围内的模拟电压，经模数转换器ADC0809变换为8位数字信息传送到8255A的端口B。端口B可采用查询或中断方式与CPU联系。若采用中断方式，中断请求信号经8259A中断裁决后送往CPU的INTR端。本例采用的是中断方式，定义中断类型码为40H。8255A及8259A的初始化程序51INTT：MOVDX，8255A控制端口

；8255A控制端口地址MOVAL，86H OUTDX，AL ；8255A初始化MOVAL，05HOUTDX，