第8章 模擬量輸入輸出通道接口技術

第8章模擬量輸入輸出通道接口技術數(shù)字計算機處理的信號是用二進制表示的數(shù)字量的電信號。實際上被控設備的工作信號是多種多樣的，如聲音信號、溫度信號、壓力信號、濕度信號、速度信號等。這些信號的共同特點都是連續(xù)變化的模擬信號。計算機要對這些信號進行處理，必須先將非電的模擬信號轉換成電信號，然后再轉換成數(shù)字信號。被處理后的數(shù)字信號再轉換成模擬信號去控制外部設備等。本章主要教學內容：①計算機控制系統(tǒng)的一般組成及處理過程。②數(shù)據采集、信號轉換和模數(shù)轉換一般方法。③多路選擇的實現(xiàn)④數(shù)字量到模擬量轉換的實現(xiàn)。這部分的內容在教材的第9章8.1計算機控制系統(tǒng)的一般組成及處理過程。8.1.1計算機控制系統(tǒng)的模型計算機系統(tǒng)前向通道后向通道①②③1.前向通道模數(shù)轉換采用保持多路選擇傳感器信號轉換信號放大傳感器信號轉換信號放大計算機系統(tǒng)①傳感器：用某種可以度量的物理量來描述被測物體的器件。②信號轉換：將傳感器獲得的非電信號量通過電路轉換為電信號。③信號放大電路：將小信號的電信號通過放大器放大為適合處理的電信號。目前很多公司已將這三部分集成在一起，稱傳感器變送單元。如Motorola公司的溫度變送單元、壓力變送單元等。④多路選擇開關：通過多了選擇開關可以實現(xiàn)對多個傳感器信號進行處理。⑤采樣保持電路：由于AD轉換器在轉換時需要一定的時間，而且在轉換過程中需要輸入信號保持不變。采樣電路就是起這樣的作用的。⑥模數(shù)轉換器：將模擬量轉化為數(shù)字量，通過接口送計算機處理。目前很多AD轉換芯片都將多路選擇開關、采樣保持電路與模數(shù)轉換器集成在一個芯片中。如ADC0809。2.計算機系統(tǒng)它是整個控制系統(tǒng)的核心。首先接收前向通道送來的待處理信號，然后按照用戶事先編好的程序進行處理，最后將處理的結果通過接口送被控制的設備（或送顯示，如儀表系統(tǒng)），控制設備的工作。3.后向通道如果是設備，它就接收計算機系統(tǒng)的控制信號，必要時將數(shù)字信號轉化為模擬信號，然后再放大，驅動設備自動工作。如果是儀表，就顯示被被測量的結果。8.1.2多路選擇開關在計算機測控系統(tǒng)中，往往需要對多個參數(shù)進行測控，由于計算機速度很快，被測參數(shù)的變化又很慢，所以通常采用一臺微機分時對多路信號進行采集和處理。為了達到這一目的。必須使得計算機在某一時刻只選擇某一通道與之相連，其他通道與之斷開。多路選擇開關就是完成這一任務的器件。選擇譯碼電路ABC選擇0選擇7輸出輸入0輸入7選擇0選擇7選擇1選擇2CBA選中000選擇0001選擇1010選擇2011選擇3100選擇4101選擇5110選擇6111選擇7K0K1K2K3K4K5K6K7選擇多路選擇開關注意事項：①無觸點；②要求信號在全量程范圍內無損耗（或損耗較小且一致性要好）；③在信號的頻率范圍內一致性和線性度要好；（在信號的全頻范圍內無衰減）；④通道一致性要好；⑤延遲響應要快；⑥溫度漂移要??；⑦選擇控制要方便簡單。8.1.3采樣保持器由于AD轉換都需要一定時間來完成量化和編碼，如果直接將模擬輸入信號送AD轉換，由于在轉換過程中，輸入的模擬信號發(fā)生變化將會影響轉換精度，這對于同步控制系統(tǒng)來說是不允許的。所以要求輸入到AD轉換器的信號在AD轉換期間保持不變。因此必須先對模擬輸入信號進行采樣，并將采樣的數(shù)據保存直到AD轉換結束。承擔該項任務的芯片就是采樣保持器目前很多AD轉換芯片都將多路選擇開關、采樣保持電路模擬量轉換數(shù)字量采樣后的離散信號A/D轉換A/D轉換后的數(shù)字信號10110011模擬量輸入信號采樣器選擇采樣保持器注意事項：①采樣保持器的采樣頻率必須大于輸入信號的頻率的兩倍才能保證輸出信號不失真；根據奈魁斯采樣定理，采樣頻率只要大于等于信號最高頻率的兩倍，就能夠不失真描述被采樣的信號。人耳可以分辨的音頻頻率范圍為20Hz～20kHz，現(xiàn)在，幾乎所有的聲卡的采樣頻率都達到44.1kHz。②溫度穩(wěn)定性要好；③響應速度要快。8.2模擬量輸入通道接口技術8.2.1AD轉換模擬量輸入通道的任務就是將輸入的模擬量轉換成計算機可以處理的用二進制表示的數(shù)字量。AD轉換器就是完成這一任務的芯片。AD轉換芯片的種類很多，價格差異非常大。選擇時重點考慮以下因素：①轉換速度；②是否包含多路開關和采樣保持電路、采樣頻率及帶寬；③數(shù)字量的位數(shù)；④是否自帶基準參考電源電路；⑤零漂；⑦溫度穩(wěn)定性是否好；⑥與系統(tǒng)的接口控制是否方便。8.2.28位AD轉換器ADC08091.ADC0809芯片功能ADC0809是個低速的AD轉換芯片；具有8路通道模擬量輸入。輸入通道選擇由輸入通道地址譯碼鎖存器完成；采用單電源供電；8位數(shù)據輸出的逐次逼近型模數(shù)轉換芯片。2.ADC0809芯片引腳功能IN7~IN0:8個模擬量輸入端；START:啟動信號，高電平啟動AD轉換開始;EOC:轉換結束信號，AD轉換結束輸出高電平脈沖，可作為中斷申請信號；OE:輸出允許信號，高電平有效，允許從AD轉換器的輸出鎖存器中輸出AD轉換結果；CLOCK:實時時鐘信號輸入端500KHz~1MHz;ALE:地址鎖存允許端。高電平將C、B、A信號鎖存在地址鎖存器中；C、B、A：8輸入通道選擇地址譯碼信號。ALECBA被選中的通道1000IN01001IN11010IN21011IN31100IN41101IN51110IN61111IN7D7~D0:8位數(shù)字量輸出。VREF(+)、VREF(-):參考電源輸入。對于單極性電源VREF(+)=+5V,VREF(-)=0V。VCC、GND:工作電源＋5V和地。8.2.3ADC0809AD轉換器的接口電路。ADC0809與微機接口通信方式主要有中斷通信方式和查詢工作方式。都是利用轉換結束信號EOC來實現(xiàn)的。D0IN0A15-A0IOR#IOW#D7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA譯碼器ADC0809INTR8.2.4ADC0809AD轉換器應用實例。實例1、(教材例8.1)采用的是程序查詢方式。將EOC經過三態(tài)門（同向器）連接到數(shù)據線的D7。CPU通過START啟動ADC0809后不斷檢查D7，如果D7=1(EOC=1)，就表明AD轉換已經結束，可以讀轉換結果。讀EOC=1的狀態(tài)地址238H。根據電路圖：通道(IN0~IN7)的地址220H~227H。VCCIN0IN7IN6IN4IN3IN2IN1IN5EOCGNDCLKOEVREF(＋)VREF(-)STARTADDAADDBADDCALED7~D0500KHz譯碼A0A9~A3A2A1IOWIOR238H~23FH220H~227HADC0809IN指令產生IOROUT指令產生IOW011D7參考程序：DATASEGMENTCOUNTEREQU8BUFDBCOUNTERDUP(0)DATAENDPCODESEGMENGASSUME:CS:CODE,DS:DATASTART:MOVAX,DATAMOVDS,AXMOVBX,OFFSETBUF

MOVCX,COUNTERMOVDX,220H；置IN0地址START1:OUTDX,AL；啟動AD轉換（產生START)PUSHDX；保存IN0地址到堆棧

MOVDX,238H

；置狀態(tài)地址START2:INAL,DX；檢查D7（EOC)是否等于1TESTAL,80H(10000000)JZSTART2POPDX；轉換結束，恢復IN0地址

INAL,DX；讀轉換結果（產生OE)

MOV[BX],AL；保存轉換結果到BUFINCBX;修改BUF指針

INCDX；修改通道號

LOOPSTART1；判8個通道是否

…都轉換過。

MOVAH,4CHINT21HCODEENDSEDNSTART8.3數(shù)/模

(D/A)轉換芯片及接口8.3.1DAC的主要性能指標(1)分辨率：分辨率是當輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化（即1LSB）時，所對應的輸出模擬量的變化量，即等于模擬量輸出的滿量程值的1/(2-1)（N為數(shù)字量位數(shù)）。分辨率也可以用相對值1/(2-1）百分率表示。在實際應用中，又常用數(shù)字量的位數(shù)來表示分辨率。(2)轉換精度:轉換精度是指一個實際的D/A轉換器與理想的D/A轉換器相比較的轉換誤差。精度反映D/A轉換的總誤差。包括絕對精度和相對精度。

N

N①絕對精度:對應于給定的滿刻度數(shù)字量，D/A實際輸出與理論值之間的誤差。該誤差是由于D/A的增益變化、零點漂移和噪聲等引起的，一般應低于±1/2LSB。②相對精度:在滿刻度已經校準的情況下，在整個刻度范圍內對應于任一數(shù)碼的模擬量輸出與理論值之差。（3）線性誤差:相鄰兩個數(shù)字輸入量之間的差應該是±1LSB，即理想的轉換特性應是線性的。在滿刻度范圍內，偏離理想的轉換特性的最大值稱線性誤差。（4）建立時間:當D/A轉換器的輸入數(shù)據發(fā)生變化后，輸出模擬量達到穩(wěn)定數(shù)值，即進入規(guī)定的精度范圍內所需要的時間。（5）溫度系數(shù):D/A轉換器的各項性能指標一般在環(huán)境溫度為25℃下測定。環(huán)境溫度的變化會對D/A轉換精度產生影響，這一影響分別用失調溫度系數(shù)、增益溫度系數(shù)和微分非線性溫度系數(shù)來表示。這些系數(shù)的含義是當環(huán)境溫度變化1℃時該項誤差的相對變化率，單位是×10/℃。-68.3.28位數(shù)模轉換器DAC0832集成D/A芯片類型很多，按生產工藝分有雙極型、MOS型等；按字長分有8位、10位、12位等；按輸出形式分有電壓型和電流型。另外，不同生產廠家的產品，其型號各不相同。例如，美國國家半導體公司的D/A芯片為DAC系列，如DAC0832等；美國模擬器件公司的D/A芯片為AD系列，如AD558等。使用時可參閱各公司提供的使用手冊。主要A/D與D/A芯片生產廠家：美國模擬技術公司ADI:

http///德州儀器公司TI:http///美國國家半導體公司NS:

飛利浦公司Philips:

MAXIM公司:摩托羅拉公司Motorola:DAC0832典型的電流輸出型通用DAC芯片，20條引線，雙列直插式，內部具有兩級數(shù)據寄存器。DAC0832具有以下特性：輸出差動電流數(shù)字量輸入具有雙重緩沖內部具有數(shù)據寄存器，可以直接和處理機系統(tǒng)相連分辨率為8位，建立時間為1us，滿量程誤差±1LSB電源為+5V~+15V，基準電壓范圍?10V~+10V，功耗20mW1．DAC0832的內部結構和引腳模擬輸出通道用來將數(shù)字信號變成模擬的電流或電壓。由數(shù)模（D/A）轉換器來完成。一般要還經過低通濾波，使其輸出波形平滑。如果需要，可以采用功率放大器作為模擬量輸出的驅動電路。DAC08321202193184176158139121011AGNDDI3VREFRFBDGNDVCCILEIOUT2IOUT1751614

CS

WR1DI2DI1DI0

WR2XFERDI4DI5DI6DI7DI7DI0:D/A轉換器的數(shù)字量輸入引腳。其中DI0為最低位，DI7為最高位。/CS:片選信號輸入端，低電平有效。/WR1:輸入寄存器的寫信號，低電平有效。ILE:輸入寄存器選通信號，高電平有效。ILE信號和/CS、/WR1共同控制選通輸入寄存器。當CS、WR1均為低電平，而ILE為高電平時，ILE=0，輸入數(shù)據被送至8位輸入寄存器的輸出端；當上述三個控制信號任一個無效時，ILE變高，輸入寄存器將數(shù)據鎖存，輸出端呈保持狀態(tài)。/XFER:從輸入寄存器向DAC寄存器傳送D/A轉換數(shù)據的控制信號，低電平有效。/WR2:DAC寄存器的寫信號，低電平有效。當XFER和WR2同時有效時，輸入寄存器的數(shù)據裝入DAC寄存器，并同時啟動一次D/A轉換。VCC:芯片電源，其值可在+5+15V之間選取，典型值取+15V。AGND:模擬信號地。DGND:數(shù)字信號地。RFB:內部反饋電阻引腳，用來外接D/A轉換器輸出增益調整電位器。VREF:D/A轉換器的基準電壓，其范圍可在?10~+10V內選定。該端連至片內的R–2RT型電阻網絡，由外部提供一個準確的參考電壓。該電壓精度直接影響著D/A轉換精度。IOUT1:D/A轉換器輸出電流1，當輸入全1時，輸出電流最大。當輸入為全0時，輸出電流最小，即為0。IOUT2:D/A轉換器輸出電流2，它與IOUT1有如下關系：IOUT1+IOUT2=常數(shù)D/A轉換沒有形式上的啟動信號。實際上將數(shù)據寫入第二級寄存器的控制信號就是D/A轉換器的啟動信號。另外，它也沒有轉換結束信號，D/A轉換的過程很快，一般還不到一條指令的執(zhí)行時間。2．DAC0832的接口(1)數(shù)據輸入連接方式單緩沖方式MOVDX，280H；設DAC0832的地址為280HOUT DX，AL ；AL內數(shù)據送DAC轉換DI7~DI0CS1WR2WRXFERILE地址譯碼IOWD7~D0+5VDAC08322．DAC0832的接口雙緩沖方式MOVDX，200H；DAC0832的輸入鎖存器的地址為200HOUTDX，AL

；AL中數(shù)據DATA送輸入寄存器MOVDX，201H；DAC0832的DAC鎖存器的地址為201HOUTDX，AL

；數(shù)據DATA寫入DAC鎖存器并轉換DI7~DI0ILE地址譯碼D7~D0+5VDAC0832A0200H201HCS1WR2WRXFERIOW2．DAC0832的接口直通方式MOV DX，PA8255 ；8255的A口地址為PA8255OUT DX，AL ；AL中數(shù)據送A口鎖存并轉換8255ADI7~DI0ILEPA7~PA0+5VDAC0832CS1WR2WRXFER(2)輸出方式DAC0832以電流形式輸出轉換結果，若要得到電壓形式的輸出，需要外加I/V轉換電路，常采用運算放大器實現(xiàn)I/V轉換。①單極性輸出對于單極性輸出電路，輸出電壓為：REFOUTV256DV-=式中D為輸入數(shù)字量的十進制數(shù)。因為轉換結果IOUT1接運算放大器的反向端，所以式中有一個負號。若VREF=+5V，當D=0255(00HFFH)時，VOUT=?(04.98)V。IOUT1IOUT2AGNDRFBVREFDI7~DI0VoutDAC0832(2)輸出方式DAC0832以電流形式輸出轉換結果，若要得到電壓形式的輸出，需要外加I/V轉換電路，常采用運算放大器實現(xiàn)I/V轉換。①雙極性輸出對于雙極性輸出電路，輸出電壓為：若VREF=+5V，當D=0時，VOUT1=0，OUT=?5V；當D=128(80H)時，VOUT1=?