微機(jī)接口與編程第六章模擬量輸入輸出1(DA)

-1-模擬量的輸入輸出通道在工業(yè)生產(chǎn)中，往往要對許多自然信號進(jìn)行研究，例如溫度、壓力、流量等，稱為模擬量。這些模擬量是一些時(shí)間連續(xù)、取值連續(xù)的物理量，不能直接被計(jì)算機(jī)處理；必須先轉(zhuǎn)化成離散的數(shù)字信號，再輸入計(jì)算機(jī)識別和處理；又必須把計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制命令等轉(zhuǎn)化為模擬信號，去驅(qū)動模擬調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這兩個(gè)過程，都需要數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口來完成。1第六章模擬量輸入輸出主要內(nèi)容：數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換及

典型的D/A轉(zhuǎn)換器

DAC1210和DAC0832；模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換及典型的A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809和AD1674（AD574）。要點(diǎn)：輸入、轉(zhuǎn)換及輸出是如何控制的？2第六章模擬量輸入輸出§6.1模擬量輸入與輸出通道的組成P318圖6.1模擬量輸入、輸出通道結(jié)構(gòu)框圖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處理信號變換I/O接口輸入通道輸出通道變送器3傳感器（Transducer）

非電量→電壓、電流

常用傳感器的分類傳感器的種類很多，應(yīng)用十分廣泛。按可以被測量的性質(zhì)分為熱工量、機(jī)械量、物性合成分量和狀態(tài)量。（1）熱工量包括溫度、溫差、壓力、壓差、流量、流速、風(fēng)速等傳感器。（2）機(jī)械量包括力、速度、加速度、幾何尺寸、振動、光潔度、產(chǎn)品計(jì)數(shù)等傳感器。（3）物性合成分量包括氣體化學(xué)成分、液體化學(xué)成分、酸堿度（PH值）、咸度、濃度、粘度、密度等。（4）狀態(tài)量包括顏色、透明度、磨損量、氣體泄漏、表面質(zhì)量等。此外，還可以按傳感器輸出量的性質(zhì)、傳感器的結(jié)構(gòu)以及傳感器的工作原理進(jìn)行分類。4變送器（Transformer）

轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號5信號處理（SignalProcessing）放大、整形、濾波多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（Multiplexer）多選一采樣保持電路（SampleHolder，S/H）對高速變化的信號源,凍結(jié)時(shí)變信號的瞬時(shí)值，保證變換時(shí)信號恒定不變A/D變換器（A/DConverter）模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量6-7-D/A變換器（D/AConverter）

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

提供足夠的驅(qū)動電壓，電流7D/A轉(zhuǎn)換的工作原理VO=D×VR其中，VR為基準(zhǔn)電壓，D=Di×2i，n為輸入位數(shù)式表明模擬輸出與數(shù)字量輸入成正比，一般D/A轉(zhuǎn)換器都是依據(jù)該原理設(shè)計(jì)。D/A轉(zhuǎn)換的形式較多，在集成電路中，一般采用電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖8-3所示。§6.2D/A(數(shù)/模)轉(zhuǎn)換器8D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)9運(yùn)放的放大倍數(shù)足夠大時(shí)，輸出電壓VO與輸入電壓Vin的關(guān)系為：VinRf

VO∑R

10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：VinRf

VO∑R1Rn…11權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf

VOS1S2S3S4S5S6S7S8I7=Vref/(256R)I5=Vref/(64R)Vo=-Rf*(I1+I2+….)12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，則上式變換為若Si=1,該項(xiàng)對VO有貢獻(xiàn)；若Si=0,該項(xiàng)對VO無貢獻(xiàn)13如果用8位二進(jìn)制代碼來控制圖中的S1～S8(Di=1時(shí)Si閉合；Di=0時(shí)Si斷開)，則不同的二進(jìn)制代碼就對應(yīng)不同輸出電壓VO；當(dāng)代碼在0～FFH之間變化時(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)。14所有開關(guān)斷開，Vo=0反饋電阻Rf＝R當(dāng)S7閉合時(shí)，Vo=-(VRef/(256R))Rf

=-(1/256)VRef

多個(gè)開關(guān)閉合，各個(gè)貢獻(xiàn)的Vo相加全部開關(guān)閉合，Vo=-255/256VRef

15P321圖6.3R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)與S0無關(guān)，2點(diǎn)電位相等所以總有：Vi=Vi+1/2而輸出電壓，Vo=-(I0+I1+…)Rf16四位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬量為例，用T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)加運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)如圖8-4所示。T型電阻網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換器17用Di（i=3,2,1,0）控制電子開關(guān)Ki，當(dāng)Di=0時(shí)，Ki接通“地”；當(dāng)Di=1時(shí)，Ki接通運(yùn)算放大器的“虛地”。無論Ki接至何處，A、B、C、D點(diǎn)的等效電阻均為R。其中：18【例】有一8位D/A轉(zhuǎn)換器，其基準(zhǔn)電壓VREF為-10V，若當(dāng)輸入量全0時(shí)、全1時(shí)模擬輸出電壓是多少？若輸入量為10101010時(shí)，模擬輸出電壓是多少？19P323圖6.6電流型D/A連接電壓輸出方式2點(diǎn)電位相等所以有：i*R=Vout*R1/(R1+R2)-i*R=Vout20數(shù)字量0對應(yīng)VI=0,VOUT=-VRef數(shù)字量80H對應(yīng)VI=-1/2VRef,VOUT=0數(shù)字量0FFH對應(yīng)VI=-VRef,VOUT=VRef雙極性輸出和偏移碼P323圖6.7這種稱為偏移的二進(jìn)制編碼，在雙極性的A/D、D/A應(yīng)用VOUT=-R4*(V1/R2+VRef/R3)

（設(shè)R4=R3=2R2)=-(2V1+Vref)21P322圖6.4D/A轉(zhuǎn)換器原理框圖D/A22P240圖5.6I/O寫周期數(shù)據(jù)保持到上升沿后238位D/A轉(zhuǎn)換器與CPU的典型連接OUTDR,AL1:寫入（相通，對DR端口執(zhí)行IO輸出時(shí)）0:鎖存（斷開）8D鎖存器，如74LS27324DAC0832主要特性電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器。數(shù)字輸入端具有雙重緩沖功能，與所有通用微處理器可直接接口?？梢怨ぷ髟陔p緩沖、單緩沖或直通數(shù)字輸入。滿足TTL電平規(guī)范的邏輯輸入。分辨率為8位，滿刻度誤差+1LSB，建立時(shí)間為lμs，功耗20mW。二、D/A轉(zhuǎn)換電路25DAC0832邏輯結(jié)構(gòu)框圖1：寫入0：鎖存1：寫入0：鎖存26DAC0832⑴8位雙緩沖電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器件⑵控制信號：ILECSWR1=1，DI輸入寄存器 =0，輸入寄存器鎖存WR2XFER=1,輸入寄存器轉(zhuǎn)換 =0，轉(zhuǎn)換寄存器鎖存⑶工作方式:雙緩沖、單緩沖、直通⑷接口要求:以雙緩沖方式為例分別送出有關(guān)信號(兩個(gè)譯碼加IOW),CPU用2個(gè)I/O地址、執(zhí)行2條OUT指令27DAC0832的工作方式直通方式。當(dāng)CS、WR1、WR2、XFER都接數(shù)字地，ILE接高電平時(shí)，芯片即處于直通狀態(tài)單緩沖方式。此方式是使兩個(gè)寄存器中任一個(gè)處于直通狀態(tài)，另一個(gè)工作于受控鎖存器狀態(tài)或兩個(gè)寄存器同步受控雙緩沖方式。雙緩沖方式的一大用途是數(shù)據(jù)接收和啟動轉(zhuǎn)換可以異步進(jìn)行，即在對某數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的同時(shí)，能進(jìn)行下一數(shù)據(jù)的接收，以提高轉(zhuǎn)換速率28①雙緩沖方式數(shù)據(jù)經(jīng)過雙重緩沖后再送入D/A轉(zhuǎn)換電路，執(zhí)行兩次寫操作才能完成一次D/A轉(zhuǎn)換。該方式可在D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)的輸入，提高了轉(zhuǎn)換速率。更為重要的是，這種方式特別適用于要求同時(shí)輸出多個(gè)模擬量的場合。此時(shí)，要用多片DAC0832組成模擬輸出系統(tǒng)，每片對應(yīng)一個(gè)模擬量。如圖8-7所示。29在這種方式下，需要執(zhí)行兩條輸出指令才能啟動D/A轉(zhuǎn)換器，若DAC0832輸入寄存器端口地址為n，DAC寄存器的端口地址為n+1，則完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換需要如下指令。MOVDX，nOUTDX，AL；打開輸入寄存器，數(shù)據(jù)裝入并鎖存INCDXOUTDX，AL；打開DAC寄存器，數(shù)據(jù)通過，送D/A轉(zhuǎn)換器第一條輸出指令打開DAC0832的輸入寄存器，把AL中的數(shù)據(jù)送入輸入寄存器并鎖存起來。第二條輸出指令打開DAC0832的DAC寄存器，使輸入寄存器的數(shù)據(jù)通過DAC寄存器送D/A轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，此時(shí)，AL中數(shù)值與轉(zhuǎn)換結(jié)果無關(guān)，該指令執(zhí)行時(shí)實(shí)際上無CPU的數(shù)據(jù)輸出給DAC寄存器，而是利用執(zhí)行指令時(shí)出現(xiàn)的I/O寫信號打開DAC寄存器。30②單緩沖方式若不需要多個(gè)模擬量同時(shí)輸出時(shí)，可采用單緩沖方式。此時(shí)，兩個(gè)寄存器之一處于直通狀態(tài)，輸入數(shù)據(jù)只經(jīng)過一級緩沖送入D/A轉(zhuǎn)換電路。該方式只需執(zhí)行一次寫操作，即可完成D/A轉(zhuǎn)換

在這種方式下，若DAC0832端口地址為n，則完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換需要如下指令。MOVDX，nOUTDX，AL31D7~D0IOWA9~A0AEN系統(tǒng)總線DI0~7WR1ILECSDAC0832譯碼器WR2XFERDGNDVerfRfbI01I02AGND+-AR+5VVoutDAC0832單緩沖方式連接+5V200H32③直通方式在直通方式時(shí)，兩個(gè)寄存器處于直通狀態(tài)，需要將端都接數(shù)字地，ILE接高電平。數(shù)據(jù)直接送入D/A轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。該方式可用于一些不采用微型計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)中。

、

33輸出極性1.單極性反向輸出-+RfbVouti∑IOUT1IOUT2

AGNDDAC0832

VOUTiRfb

Rfb342.單極性同向輸出+-i∑IOUT1DAC0832RVoutVinR1

R2IOUT2VinIVout

I正向比例放大：353.雙極性輸出-A1+Vout

IOUT1

IOUT2DAC0832RfbVREF＋VREFD0D1D2D3D4D5D6D7R-A2+2R2RVREFV1加法電路（輸出反相）VOUT＝2(－V1)－VREF雙極性Vout=2VREF/2n×D-VREF3637DAC0832D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用利用D/A轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生各種波形，如方波、三角波、鋸齒波等，以及它們組合產(chǎn)生的復(fù)合波形和不規(guī)則波形。這些復(fù)合波形利用標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)試設(shè)備是很難產(chǎn)生的。硬件設(shè)計(jì)可利用圖8-9提供的接口，程序如下：①鋸齒波MOV DX,21BH ；8255A控制端口地址MOV AL,82HOUT DX,AL ；設(shè)置8255A端口工作方式為0，輸出MOV DX,218H ；8255A端口A地址MOV AL,00H ；輸出數(shù)據(jù)初值LOP:OUT DX,AL ；產(chǎn)生鋸齒波INC ALJMP LOP程序中，輸入的數(shù)據(jù)從0開始逐漸增大，至0FFH后再恢復(fù)到0，重復(fù)此過程，即可得到正向鋸齒波，若數(shù)據(jù)從0FFH逐漸減小至0，則形成負(fù)向鋸齒波。38②三角波利用正、負(fù)向鋸齒波組合，可產(chǎn)生三角波。MOV DX,21BH；8255A控制端口地址MOV AL,82HOUT DX,ALL：MOV DX,218HMOV AL,00H；輸出數(shù)據(jù)正向初值L1：OUT DX,ALINC ALJNZ L1MOV AL,0FFH；輸出數(shù)據(jù)負(fù)向初值L2：OUT DX,ALDEC ALJNZ L2JMP L394041（3）方波MOV DX,21BH ；8255A控制端口地址MOV AL,82HOUT DX,ALMOV DX,218HREP:MOV AL,00HOUT DX,AL ；輸出低電平CALL WAIT ；輸出延時(shí)MOV AL,0FFHOUT DX,AL ；輸出高電平CALL WAITJMP REP其中，WAIT為延時(shí)子程序，通過延時(shí)時(shí)間確定方波寬度。42DAC0832與CPU的接口例+5VD7～D0IOW地址總線地址譯碼320H321H+5VILEVREFDI7～DI0DAC0832VCCRfbIOUT1IOUT2WR1WR2CSXFERAGNDDGND_+DAC0832與8位微處理器的連接例V043例： MOVDX，320H；指向輸入寄存器 MOVAL，DATA；DATA為被轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù) OUTDX，AL；數(shù)據(jù)打入輸入寄存器 INCDX；指向DAC寄存器 OUTDX，AL；選通DAC寄存器，啟動D/A轉(zhuǎn)換設(shè)CS的端口地址為320H，XFER的端口地址為321H。編寫數(shù)據(jù)通過DAC0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換輸出的程序段。44P325圖6.9DAC1210邏輯結(jié)構(gòu)框圖

-12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210及其接口1：寫入0：鎖存1：寫入0：鎖存1：寫入0：鎖存45⑴12位雙緩沖電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器件⑵控制信號：CS、WR1同為0時(shí)：若B1/B2=1,寫12位若B1/B2=0,只寫低4位WR2、XFER同為0,輸入寄存器轉(zhuǎn)換⑶