第七章模擬量輸入輸出

微機(jī)原理與接口技術(shù)第七章模擬量的輸入輸出17.1模擬量的輸入/輸出通道7.2D/A轉(zhuǎn)換器一、D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理及技術(shù)指標(biāo)二、典型D/A轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832三、D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用7.3A/D轉(zhuǎn)換器一、A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理及技術(shù)指標(biāo)二、典型A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC080927.1模擬量的輸入/輸出通道3工業(yè)現(xiàn)場傳感器變送器信號(hào)處理環(huán)節(jié)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)采樣保持電路A/D轉(zhuǎn)換器微型計(jì)算機(jī)D/A轉(zhuǎn)換器鎖存器接口整形濾波驅(qū)動(dòng)放大執(zhí)行器件7.2D/A轉(zhuǎn)換器4一、D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理及技術(shù)指標(biāo)1、D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理N位數(shù)字量輸入模擬開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算放大器……模擬電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖電阻網(wǎng)絡(luò)：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)；R-2R“T”形網(wǎng)絡(luò)基本運(yùn)算放大器ViRiRfVo-+I多路輸入的運(yùn)算放大器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)VrefR2RfVo-+R1RnS1S2Sn……I6若是各支路上的輸入電阻R1,R2…Rn分別為21R，22R…2nR,即每一位電阻值都具有權(quán)值2j（j為該電阻所在的位數(shù)），且由一個(gè)開關(guān)Sj來控制，當(dāng)Sj合上時(shí)Sj=1，Sj斷開時(shí)Sj=0，并令Vref=(Rf/R)Vi,則Vo為：所有開關(guān)Sj斷開時(shí)，Vo=0所有開關(guān)Sj閉合時(shí)，Vo最大：D/A轉(zhuǎn)換原理：如果用二進(jìn)制編碼來控制圖中每一路的Sj，當(dāng)?shù)趈路的二進(jìn)制碼為1時(shí)，使Sj閉合;當(dāng)?shù)趈路的二進(jìn)制碼為0時(shí)，使Sj打開，則數(shù)字量的變化就轉(zhuǎn)換成了模擬量的變化。D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與基準(zhǔn)電壓Vref和權(quán)電阻的精度以及數(shù)字量的位數(shù)n有關(guān)。顯然，n越大，轉(zhuǎn)換精度就越高，但同時(shí)所需的權(quán)電阻的數(shù)量就越多。由于在集成電路中制造高阻值的精密電阻比較困難，因此常用R-2R“T”形電阻網(wǎng)絡(luò)來代替權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)。7RfVo-+2RRV22RRV12RRVn-1Vref2R2RV0…Vi其中，D為輸入的數(shù)字量，n為數(shù)字量位數(shù)8若Rf/R=1，n=8，則：數(shù)字量輸入驅(qū)動(dòng)放大數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)鎖存……模擬電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器原理框圖模擬開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)……D0D1DnD/A轉(zhuǎn)換器的輸出形式有電流、電壓兩大類。電壓輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓一般為0~5V或0~10V，它相當(dāng)于一個(gè)電壓源，內(nèi)阻較小，可帶動(dòng)較大負(fù)載；電流輸出型相當(dāng)于一個(gè)電流源，內(nèi)阻較大，與之匹配的負(fù)載電阻不能太大2、D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)1）分辨率：輸入每變化一個(gè)最低有效位使輸出變化的程度，可用數(shù)字量的位數(shù)表示，比如8位，10位等，也可定義為輸入數(shù)字量等于1時(shí)的電壓值與輸入數(shù)字量等于最大值時(shí)的滿度模擬值之比。例如，對(duì)一個(gè)n位的D/A轉(zhuǎn)換器，若其滿度電壓值為V，其最低有效位對(duì)應(yīng)的電壓值為V/(2n-1),則該D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/(2n-1)。若用百分比表示，則為[V/(2n-1)]100%2）轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換結(jié)果相對(duì)實(shí)際值的偏差。有兩種表示方法：絕對(duì)轉(zhuǎn)換精度：實(shí)際的輸出值與理論值之間的差距相對(duì)轉(zhuǎn)換精度：絕對(duì)精度除以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)例如，一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)轉(zhuǎn)換精度為0.05V，若輸出滿刻度值為5V，則相對(duì)轉(zhuǎn)換精度為1%93）轉(zhuǎn)換時(shí)間：從數(shù)字量輸入到輸出模擬量達(dá)到與終值相差1/2LSB(最低有效位)相當(dāng)?shù)哪M量時(shí)所需的時(shí)間。4）線性誤差：D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際的輸出曲線與理想曲線（一條直線）之間的最大誤差。通常用這個(gè)最大差值折合成的數(shù)字量來表示例如一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的線性誤差小于1/2LSB，表示用它進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時(shí)，其輸出模擬量與理想值之差最多不會(huì)超過1/2LSB的輸入量產(chǎn)生的輸出值5）動(dòng)態(tài)范圍：最大和最小輸出值范圍10二、典型D/A轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832111、

引線及內(nèi)部結(jié)構(gòu)VccILE#WR2#XFERD4D5D6D7Iout2Iout1#CS#WR1AGNDD332D1D0VrefRfbDGND1 202 193 184 175 166 157 148 139 1210 11DAC0832管腳圖D7～D0：8位數(shù)據(jù)輸入端#CS:片選ILE：輸入寄存器選通，它與#CS，#WR1一起將要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送入輸入寄存器#WR1：輸入寄存器的寫入控制#WR2：數(shù)據(jù)變換（DAC）寄存器的寫入控制#XFER：傳送控制。它與#WR2一起把輸入寄存器的數(shù)據(jù)裝入數(shù)據(jù)變換寄存器12VccILE#WR2#XFERD4D5D6D7Iout2Iout1#CS#WR1AGNDD332D1D0VrefRfbDGND1 202 193 184 175 166 157 148 139 1210 11DAC0832管腳圖IOUT1：模擬電流輸出端1，當(dāng)DAC寄存器中內(nèi)容為0FFH時(shí)，IOUT1電流最大；當(dāng)DAC寄存器中內(nèi)容為00H時(shí)，IOUT1電流最??；IOUT2：模擬電流輸出端2。一般，IOUT1+IOUT2=常數(shù)Ffb：反饋電阻引出端，接運(yùn)算放大器的輸出Vcc:電源輸入線

(+5v~+15v)Vref:基準(zhǔn)電壓輸入線

(-10v~+10v)AGND:模擬地DGND:數(shù)字地2、主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：8位

線性誤差：(0.05%~0.2%)滿刻度轉(zhuǎn)換時(shí)間：1us 功耗：20mW13圖8.2.2

DAC0832的邏輯結(jié)構(gòu)143、

工作方式及線路連接1）單緩沖：輸入寄存器或DAC寄存器中的任意一個(gè)工作在直通狀態(tài)，而另一個(gè)工作在受控鎖存狀態(tài)。在只有單路模擬輸出或雖有多路模擬輸出但不要求同時(shí)刷新模擬輸出時(shí)，可采用這種方式譯碼電路VCCILED0~7VREF#WR1RFBIOUT1IOUT2#CS#XFER#WR2DGNDAGND–+Vout圖8.2.3DAC0832單緩沖工作方式D0~7#IOW地址總線#IOW+5V設(shè)0832地址為PORT，待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放在DATA單元，則完成D/A轉(zhuǎn)換的程序段：MOVAL,DATAMOVDX,PORTOUTDX,ALHLT152）雙緩沖：CPU對(duì)0832進(jìn)行兩步寫操作：先將數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器再將輸入寄存器的內(nèi)容寫入DAC寄存器雙緩沖方式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)接收和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換可以異步進(jìn)行，可以在D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)接收下一個(gè)數(shù)據(jù)譯碼電路VCCILED0~7VREF#WR1RFB#WR2IOUT1#XFERIOUT2#CSDGNDAGND–+Vout圖8.2.3DAC0832雙緩沖工作方式D0~7#IOW地址總線#IOW+5VY0Y1程序段：MOVAL,DATAMOVDX,PORT1OUTDX,ALMOVDX,PORT2OUTDX,ALHLT163）直通：不緩沖，CPU送來的數(shù)字量直接送到DAC，除ILE外全部控制信號(hào)為低電平。此時(shí)0832一直處于D/A轉(zhuǎn)換狀態(tài)，即模擬輸出端始終跟蹤輸入端D0~D7的變化。由于這種方式下0832不能直接與8088CPU的數(shù)據(jù)總線相連接，故很少使用三、D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用171、

信號(hào)源：產(chǎn)生鋸齒波，三角波，方波，正弦波等波形VCCILED0~7VREF#WR1RFBIOUT1IOUT2#CS#XFER#WR2DGNDAGND–+VoutD0~7#IOW+5VA9A6A5A4A3A8A7A2A1A0A15A14A13A12A11A10&端口地址：0278H18例1：輸出鋸齒波，周期任意

MOVDX,0278H MOVAL,0NXT:

OUTDX,AL DECAL JMPNXT例2：輸出正向鋸齒波，周期任意。起止電壓分別為1V和4V。已知0832輸出電壓范圍為0~5V分析：1V和4V對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為：1/5*255=51 4/5*255=20419DELAYPROC MOVCX,100DLY: LOOPDLY RETDELAYENDP MOVDX,0278HNXT1:

MOVAL,51NXT2:

OUTDX,AL INCAL CALLDELAY CMPAL,204 JNANXT2 HLT2、工業(yè)控制器：用于調(diào)速系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制207.3A/D轉(zhuǎn)換器一、A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理及技術(shù)指標(biāo)1、A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理（逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器）D0~D7控制電路逐次逼近寄存器SARD/A轉(zhuǎn)換DACVIVO比較器SAR如天平稱重，從最高位試探性的置1（是滿量程的一半），通過比較VO和VI的大小，決定1的走向，然后繼續(xù)比較，直到SAR的所有位都被確定。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，SAR中的二進(jìn)制碼就是A/D轉(zhuǎn)換器的輸出2、A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)1）精度A、量化誤差：量化間隔：Δ=輸入滿度電壓值/最大數(shù)字量輸出=Vmax/(2n-1),其中n為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)量化誤差=Δ/2量化誤差也可用（1/2）LSB表示B、非線性誤差：在整個(gè)變換量程范圍內(nèi)，數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬輸入信號(hào)的實(shí)際值與理論值之間的最大差值C、其他誤差：電源波動(dòng)引起的誤差，溫漂誤差，零漂誤差，參考電壓誤差等213）轉(zhuǎn)換時(shí)間：完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間，即從發(fā)出起的轉(zhuǎn)換命令到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)有效之間的時(shí)間間隔4）輸入動(dòng)態(tài)范圍：模擬輸入電壓的范圍，也稱量程。A/D轉(zhuǎn)換器模擬電壓輸入分為單極性和雙極性單極性動(dòng)態(tài)范圍：0~+5v,0~+10v,0~+20v雙極性動(dòng)態(tài)范圍：-5~+5v,-10+10v22二、典型A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809231、

引線及內(nèi)部結(jié)構(gòu)D0-D7：輸出數(shù)據(jù)線；IN0-IN7：8路模擬電壓輸入端；ADDA，ADDB，ADDC：三路地址輸入，ADDA是最低位，ADDC是最高位；START：啟動(dòng)信號(hào)輸入端，上升沿清零，下降沿有效；ALE：地址鎖存信號(hào)，用來鎖存ADDA～ADDC的地址輸入，上升沿有效；24EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，該引腳低電平表示正在變換，高電平表示一次變換已結(jié)束OE：讀允許信號(hào)，高電平有效，在其有效期間，CPU將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀入CLK：時(shí)鐘輸入端，由外部提供，其時(shí)鐘頻率決定轉(zhuǎn)換時(shí)間的長短，時(shí)鐘頻率的范圍為10KHz-1.2MHzVREF(+)、VREF(-)：參考電壓輸入端VCC：5V電源輸入；GND：地。內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐次逼近寄存器8位D/A變換器比較器地址寄存器ADDAADDBADDC8路模擬開關(guān)IN0IN1…IN7…三態(tài)輸出鎖存器時(shí)序及邏輯控制……CLKSTARTEOCOE數(shù)字量輸出…模擬輸入選擇部分轉(zhuǎn)換部分輸出部分輸入通道與地址的關(guān)系：ADDCADDBADDA對(duì)應(yīng)的模擬通道ADDCADDBADDA對(duì)應(yīng)的模擬通道000001010011IN0IN1IN2IN3100101110111IN4IN5IN6IN72、ADC0809的工作時(shí)序EOC通道地址ADDA-CCLKSTARTALEOE數(shù)據(jù)D0-D764個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換時(shí)間3、ADC0809的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：8位

轉(zhuǎn)換時(shí)間：100us 電源：0~5vD0I0~~D7I7#E1#E21A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0&1#IORD0~D774LS244連接方法1#G2A#G2BGBAC#IOW#Y01#Y11#Y2D0I0~D7#E1#E274LS244D0Q7~Q6D7Q2Q1CPQ074LS27374LS138ADC0809D0~D7

EOC…STARTALEOEADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN74、ADC0809與系統(tǒng)的連接方法#IOW1A15A14A13A12A11A10A7A2&#IORD0~D7連接方法2&D0PA0~~D7PA7PC1

8255ADC0809D0~D7EOCSTARTALEOEADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7PB4PB5PB2PB1PB0A1A0#RD#WR#CSA1A0A9A8A6A5A4A33、ADC0809的應(yīng)用采用連接方法2,8255的口地址為0378H~037BH。8255的三個(gè)口均工作在方式0，A口作輸入口，輸入轉(zhuǎn)換后的結(jié)果；B口作輸出口，用來輸出通道地址、發(fā)出地址鎖存信號(hào)和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)；C口低4位作輸入口，用來讀取轉(zhuǎn)換狀態(tài)，高4位沒用要求：依次從8個(gè)通道采集數(shù)據(jù)。采用查詢方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。8255初始化子程序：INIT_8255 PROCNEAR MOV DX,037BH MOVAL,91H OUT DX,AL RETINIT_8255ENDP數(shù)據(jù)采集程序：START: