山大微機(jī)原理與應(yīng)用課件08模擬量的輸入輸出

1、第8章 模擬量的輸入輸出1主要內(nèi)容：模擬量輸入輸出通道的組成D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理、連接及編程A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理、連接及編程2模擬量的輸入輸出通道3模擬量I/O通道：4模擬接口電路的任務(wù)模擬電路的任務(wù)0010110110101100工業(yè)生產(chǎn)過程傳感器放大濾波多路轉(zhuǎn)換&采樣保持A/D轉(zhuǎn)換放大驅(qū)動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換輸出接口微型計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入接口物理量變換信號(hào)處理信號(hào)變換I/O接口輸入通道輸出通道變送器模擬量的輸入通道傳感器（Transducer）非電量電壓、電流 變送器（Transformer）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)信號(hào)處理（Signal Processing）放大、整形、濾波多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（Multi

2、plexer）多選一采樣保持電路（Sample Holder，S/H）保證變換時(shí)信號(hào)恒定不變A/D變換器（A/D Converter）模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量5模擬量的輸出通道D/A變換器（D/A Converter）數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量低通濾波平滑輸出波形放大驅(qū)動(dòng)提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓，電流6閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用案例水泥廠增濕塔出口溫度控制系統(tǒng)7數(shù)/模（D/A）變換器8掌握：D/A變換器的工作原理D/A變換器的主要技術(shù)指標(biāo)DAC0832的三種工作模式DAC0832的應(yīng)用9一、D/A變換器的工作原理組成：模擬開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算放大器10VrefRf 模擬開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)VO數(shù)字量基本變換原理當(dāng)運(yùn)放的放大倍數(shù)足夠大時(shí)

3、，輸出電壓VO與輸入電壓Vin的關(guān)系為：11VinRf VOR 基本變換原理若輸入端有n個(gè)支路, 則輸出電壓VO與輸入電壓Vi的關(guān)系為：12VinRf VOR1Rnn=8的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)132R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8基本變換原理如果每個(gè)支路由一個(gè)開關(guān)Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si斷開，則上式變換為14若Si=1,該項(xiàng)對(duì)VO有貢獻(xiàn)；若Si=0,該項(xiàng)對(duì)VO無貢獻(xiàn)基本變換原理如果用8位二進(jìn)制代碼來控制圖中的S1S8(Di=1時(shí)Si閉合；Di=0時(shí)Si斷開)，則不同的二進(jìn)制代碼就對(duì)應(yīng)不同輸出電壓VO；當(dāng)代碼在0FFH之

4、間變化時(shí)，VO相應(yīng)地在 0(255/256)Vref之間變化；為控制電阻網(wǎng)絡(luò)各支路電阻值的精度，實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換器采用R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，它只用兩種阻值的電阻(R和2R)。15實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換器 R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)16二、主要技術(shù)指標(biāo)分辨率（Resolution）輸入的二進(jìn)制數(shù)每1個(gè)最低有效位 (LSB)使輸出變化的程度。分辨率表示方法：可用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位等；也可用一個(gè)LSB （Least Significant Bit）使輸出變化的程度來表示。17分辯率例一個(gè)滿量程為5V的10位D/A變換器，1 LSB的變化所引起輸出模擬量的變化為： 5/(210-1) = 5/

5、1023 = 0.04888V = 48.88mV18轉(zhuǎn)換精度（誤差）實(shí)際輸出值與理論值之間的最大偏差影響轉(zhuǎn)換精度的因素： 分辯率 電源波動(dòng) 溫度變化 19轉(zhuǎn)換時(shí)間從開始轉(zhuǎn)換到與滿量程值相差1/2 LSB所對(duì)應(yīng)的模擬量所需要的時(shí)間20tV1/2 LSBtCVFULL三、典型D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832特點(diǎn)：8位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器T型電阻網(wǎng)絡(luò)差動(dòng)輸出21DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)22主要引腳功能輸入寄存器控制信號(hào)：D7D0：輸入數(shù)據(jù)線ILE：輸入鎖存允許CS：片選信號(hào)WR1：寫輸入鎖存器23主要引腳功能用于DAC寄存器的控制信號(hào)：WR2：寫DAC寄存器XFER：允許輸入鎖存器的數(shù)據(jù)傳送到DAC寄

6、存器24主要引腳功能其它引線：VREF：參考電壓。 -10V+10V，一般為+5V或+10VIOUT1、IOUT2：D/A轉(zhuǎn)換差動(dòng)電流輸出。 用于連接運(yùn)算放大器的輸入Rfb：內(nèi)部反饋電阻引腳，接運(yùn)放輸出AGND、DGND：模擬地和數(shù)字地 25工作模式單緩沖模式雙緩沖模式無緩沖模式26單緩沖模式使輸入鎖存器或DAC寄存器二者之一處于直通，即芯片只占用一個(gè)端口地址。CPU只需一次寫入即開始轉(zhuǎn)換。寫入數(shù)據(jù)的程序?yàn)椋?MOV DX，PORT MOV AL，DATA OUT DX，AL27單緩沖模式例利用教材圖8-12所示線路圖輸出三角波：端口地址：0278H最大輸出值5V，對(duì)應(yīng)數(shù)字量：FFH最小輸出值

7、0V，對(duì)應(yīng)數(shù)字量：00H MOV DX，0278H MOV AL，0NET1： OUT DX，AL INC AL CMP AL，0FFH JNZ NET1 DEC AL28NET2： OUT DX，AL DEC AL CMP AL，0 JNZ NET2 JMP NET1雙緩沖模式（標(biāo)準(zhǔn)模式）對(duì)輸入寄存器和DAC寄存器均需控制。當(dāng)輸入寄存器控制信號(hào)有效時(shí)，數(shù)據(jù)寫入輸入 寄存器中；再在DAC寄存器控制信號(hào)有效時(shí)， 數(shù)據(jù)才寫入DAC寄存器，并啟動(dòng)變換。此時(shí)芯片占用兩個(gè)端口地址。優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)接收與D/A轉(zhuǎn)換可異步進(jìn)行；可實(shí)現(xiàn)多個(gè)DAC同步轉(zhuǎn)換輸出。分時(shí)寫入、同步轉(zhuǎn)換。29工作時(shí)序30寫輸入寄存器寫DAC

8、寄存器雙緩沖模式同步轉(zhuǎn)換例31譯碼器A10-A00832-10832-2port1port2port3雙緩沖模式的數(shù)據(jù)寫入程序MOV AL，data MOV DX，port1OUT DX，ALMOV DX，port2OUT DX，AL MOV DX，port3OUT DX，AL HLT320832-1的輸入寄存器地址0832-2的輸入寄存器地址DAC寄存器地址無緩沖器模式使內(nèi)部的兩個(gè)寄存器都處于直通狀態(tài)。模擬輸出始終跟隨輸入變化。不能直接與數(shù)據(jù)總線連接，需外加并行接口(如74LS373、8255等)。33四、D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 信號(hào)發(fā)生器 用于閉環(huán)控制系統(tǒng)34向D/A轉(zhuǎn)換器寫入某種按規(guī)律變化的

9、數(shù)據(jù)，即可在輸出端獲得相應(yīng)的各種波形模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器35要點(diǎn)：A/D轉(zhuǎn)換器的一般工作原理A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用與系統(tǒng)的連接數(shù)據(jù)采集程序的編寫36A/D轉(zhuǎn)換器用于將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的裝置，簡(jiǎn)稱ADC，是模擬系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的接口部件。37A/D轉(zhuǎn)換器類型計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器 -速度慢、價(jià)格低，適用于慢速系統(tǒng)雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器 -分辯率高、抗干擾性好、轉(zhuǎn)換速度慢，適用于中速 系統(tǒng)逐位反饋型A/D轉(zhuǎn)換器 -轉(zhuǎn)換精度高、速度快、抗干擾性差38一、A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理逐位反饋型A/D轉(zhuǎn)換器類似天平稱重量時(shí)的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量去逼近被稱物體39二、主

10、要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換精度量化誤差非線性誤差其它誤差總誤差=各誤差的均方根40量化間隔一個(gè)最低有效位對(duì)應(yīng)的模擬量 =Vmax /（2n-1）例：某8位ADC的滿量程電壓為5V，則其分辨率為： 5V/255=19.6mV41量化誤差絕對(duì)量化誤差絕對(duì)量化誤差=1/2 相對(duì)量化誤差相對(duì)量化誤差=（1/2） 100%例： 設(shè)滿量程電壓=10V，A/D變換器位數(shù)=10位，則：絕對(duì)量化誤差 10/211 = 4.88mV相對(duì)量化誤差 1/211 *100% = 0.049%42轉(zhuǎn)換時(shí)間實(shí)現(xiàn)一次轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間。精度越高（字長(zhǎng)越長(zhǎng)），轉(zhuǎn)換速度越慢。43輸入動(dòng)態(tài)范圍允許轉(zhuǎn)換的電壓的范圍。 如05V、010V等。44三、

11、典型的A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809：8通道（8路）輸入8位字長(zhǎng) 逐位逼近型轉(zhuǎn)換時(shí)間100s 內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器45主要引腳功能D7D0：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）IN0IN7：8通道（路）模擬輸入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址ALE：通道地址鎖存START：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)輸出OE：輸出允許（打開輸出三態(tài)門）CLK：時(shí)鐘輸入（10KHz1.2MHz）46內(nèi)部結(jié)構(gòu)47IN7IN08個(gè)模擬輸入通道START EOC CLK OED7D0VREF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALE比較器8路模擬開關(guān)逐位逼近寄存器SAR樹狀開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)三態(tài)輸出鎖存器時(shí)序與控制地址鎖存及譯

12、碼D/A8選1工作時(shí)序48ADC0809的工作過程由時(shí)序圖知ADC0809的工作過程如下：送通道地址，以選擇要轉(zhuǎn)換的模擬輸入；鎖存通道地址到內(nèi)部地址鎖存器；啟動(dòng)A/D變換；判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果49ADC0809的工作流程50 送通道地址通道地址鎖存啟動(dòng)A/D變換轉(zhuǎn)換結(jié)束否？送OE開門信號(hào)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果YN判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束的方法軟件延時(shí)等待（比如延時(shí)120us）此時(shí)不用EOC信號(hào)，CPU效率最低軟件查詢EOC狀態(tài)。把EOC作為中斷申請(qǐng)信號(hào)，接到8259的IN端。在中斷服務(wù)程序中讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果，效率較高51ADC0809的應(yīng)用芯片與系統(tǒng)的連接通常情況下需要經(jīng)數(shù)字接口與系統(tǒng)連接編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序

13、從數(shù)據(jù)采集到存儲(chǔ)52ADC0809與系統(tǒng)的連接例53單路模擬量輸入：D0IN0A15-A0 D7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA譯碼器ADC0809數(shù)字I/O接口輸出接口IORIOWADC0809與系統(tǒng)的連接例54D0IN0A15-A0 IOR IOWD7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA譯碼器ADC0809I/O接口數(shù)字I/O接口IN7多路模擬量輸入：數(shù)據(jù)采集程序流程55 初始化 送通道地址送ALE信號(hào)送START信號(hào)讀EOC狀態(tài)送讀允許OE信號(hào)EOC=1？讀轉(zhuǎn)換結(jié)果采集結(jié)束否？NY結(jié) 束Y送下一路通道地址（1）（1）NA/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用例題8.148255的地址范圍0000001111110100 0000001111110111設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的連接線路圖單路模擬量輸入，無需連接通道地址和地址鎖存信號(hào)；利用8255的A口和B口讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，C端口輸出和輸入各種控制信息。568255初始化程序 INIT PROC NEARPUSH DXPUSH AX MOV DX，03F7HMOV AL，9AHOUT DX，ALMOV AL，01H ；PC0初始置1OUT DX，ALMOV AL，02HOUT DX，AL ；PC1初始置0POP AXPOP DXRET INIT ENDP58數(shù)據(jù)采集程序 START：MOV AX，S