第6章(4學(xué)時(shí))模擬量輸入輸出

1、1,第6章 模擬量接口,教學(xué)重點(diǎn): D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理 DAC 0832及其與主機(jī)的連接 ADC 0809及其與主機(jī)的連接,2,目錄,6.1 模擬量與數(shù)字量 6.2 D/A轉(zhuǎn)換器 6.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理及技術(shù)指標(biāo) 6.2.2 DAC0832芯片 6.2.3 DAC芯片與主機(jī)的連接 6.2.4 DAC芯片的應(yīng)用 6.3 A/D轉(zhuǎn)換器 6.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理 6.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 6.3.3 ADC0809芯片 6.3.4 ADC芯片與主機(jī)的連接 6.3.5 ADC芯片的應(yīng)用,3,6.1 模擬量與數(shù)字量,模擬量連續(xù)變化的物理量,數(shù)字量時(shí)間和數(shù)值上

2、都離散的量,4,模擬量I/O接口的作用,實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境連續(xù)變化的模擬 例如：電壓、電流、壓力、溫度、位移、流量 計(jì)算機(jī)內(nèi)部離散的數(shù)字量 二進(jìn)制數(shù)、十進(jìn)制數(shù) 工業(yè)生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制,模擬量,D/A,傳感器,執(zhí)行元件,A/D,數(shù)字量,數(shù)字量,模擬量,模擬量輸入 (數(shù)據(jù)采集),模擬量輸出 (過程控制),計(jì)算機(jī),5,6.1 模擬輸入輸出系統(tǒng),傳感器 將各種現(xiàn)場(chǎng)的物理量測(cè)量出來 并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（模擬電壓或電流）,放大器 把傳感器輸出的信號(hào)放大到ADC所需 的量程范圍,低通濾波器 用于降低噪聲、濾去高頻干擾， 以增加信噪比,多路開關(guān) 把多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)分時(shí)地接通到A/D轉(zhuǎn)換器,采樣保持器 周期性地采樣連續(xù)信

3、號(hào)， 并在A/D轉(zhuǎn)換期間保持不變,6,6.2 D/A轉(zhuǎn)換器,模擬量,數(shù)字量,7,D/A變換器的基本工作原理 組成：模擬開關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器 兩種電阻網(wǎng)絡(luò)：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò) 基本結(jié)構(gòu)如圖：,6.2.1 D/A變換器的基本原理及技術(shù)指標(biāo),8,D/A變換原理,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：,式中：Rf 為反饋電阻 R 為輸入電阻,9,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：,式中：Ri 為第i支路的 輸入電阻,D/A變換原理,10,令每個(gè)支路的輸入電阻為2iRf , 并令Vin為一基準(zhǔn)電壓Vref，則有： 如果每個(gè)支路由一個(gè)開

4、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(duì)VO有貢獻(xiàn) 若Si=0，該項(xiàng)對(duì)VO無貢獻(xiàn),D/A變換原理,11,與上式相對(duì)應(yīng)的電路如下(圖中n=8)：,圖中的電阻網(wǎng)絡(luò)就稱為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò),D/A變換原理,12,如果用8位二進(jìn)制代碼來控制圖中的S0S7(Di=1時(shí)Si閉合；Di=0時(shí)Si斷開)，那么根據(jù)二進(jìn)制代碼的不同，輸出電壓VO也不同，這就構(gòu)成了8位的D/A轉(zhuǎn)換器。 可以看出，當(dāng)代碼在0FFH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

5、阻(R和2R)。,D/A變換原理,13,R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò),14,D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),分辨率（Resolution） DAC所能分辨的最小電壓增量，反映DAC對(duì)微小輸入量變化的敏感性。 分辨率的高低通常用二進(jìn)制輸入量的位數(shù)來表示，例如分辨率是8位、10位、12位等； 對(duì)一個(gè)分辨率為n位的DAC，能夠分辨滿刻度的的2-n輸入信號(hào),15,D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),轉(zhuǎn)換精度（誤差，Error） 絕對(duì)精度 對(duì)應(yīng)于給定的滿刻度數(shù)字量，D/A實(shí)際輸出與理論值之間的誤差。一般應(yīng)低于1/2LSB。 相對(duì)精度 在滿刻度已校準(zhǔn)的情況下，在整個(gè)刻度范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)于任一數(shù)碼的模擬量輸出與理論值之差。 對(duì)于線性

6、DAC，相對(duì)精度就是非線性度。 偏差用最小量化階來度量，如1/2 LSB 偏差用相對(duì)滿刻度的百分比來度量，如0.05% FSR LSB: Least Significant Bit FSR: Full Scale Range,16,D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),穩(wěn)定時(shí)間 DAC加上滿刻度的變化時(shí)（全0變?yōu)槿?），其輸出達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間 DAC的輸入數(shù)字量有滿刻度值的變化時(shí)，其輸出模擬信號(hào)電壓達(dá)到滿刻度值1/2 LSB（最低有效位）時(shí)所需要的時(shí)間。,17,D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),線性誤差 相鄰兩個(gè)數(shù)字輸入量之間的差應(yīng)是1 LSB，即理想的轉(zhuǎn)換特性應(yīng)是線性的。 在滿刻度范圍內(nèi)，偏離理想

7、的轉(zhuǎn)換特性的最大值稱為線性誤差。,18,D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),輸出電平 不同型號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換器件的輸出電平相差較大。一般為5V10V，有的高壓輸出型的輸出電平則高達(dá)24V30V。 溫度系數(shù) 在規(guī)定的范圍內(nèi)，相應(yīng)于每變化1C，增益、線性度、零點(diǎn)及偏移等參數(shù)的變化量。,19,6.2.2 DAC0832芯片,單電源：+5V+15V Vref：-10V+10V 低功耗：20mW 分辨率：8位 線性誤差：0.2%(FSR) 非線性誤差：0.4%(FSR) 建立時(shí)間：1s 溫度系數(shù)：0.002%FSR/ 輸出方式：電流,Iout1Iout2常數(shù),20,DAC0832邏輯結(jié)構(gòu)框圖,21,1. DAC0

8、832的數(shù)字接口,8位數(shù)字輸入端 DI0DI7（DI0為最低位） 輸入寄存器（第1級(jí)鎖存）的控制端 ILE、CS*、WR1* DAC寄存器（第2級(jí)鎖存）的控制端 XFER*、WR2*,22,直通鎖存器的工作方式,兩級(jí)緩沖寄存器都是直通鎖存器 LE*1，直通（輸出等于輸入） LE*0，鎖存（輸出保持不變）,23,DAC0832的工作方式：直通方式,LE1LE21 輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器,24,DAC0832的工作方式：?jiǎn)尉彌_方式,LE11，或者LE21 兩個(gè)寄存器之一始終處于直通狀態(tài) 另一個(gè)寄存器處于受控狀態(tài)（緩沖狀態(tài)）,25,DAC0832的工作方式：雙緩沖方式,兩個(gè)寄存器都處于受

9、控（緩沖）狀態(tài) 能夠?qū)σ粋€(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)；輸入另一個(gè)數(shù)據(jù),26,2. DAC0832的模擬輸出,Iout1、Iout2電流輸出端 Rfb反饋電阻引出端（電阻在芯片內(nèi)） VREF參考電壓輸入端 10V10V AGND模擬信號(hào)地 VCC電源電壓輸入端 5V15V DGND數(shù)字信號(hào)地,27,單極性電壓輸出,VoutIout1Rfb （D/28）VREF,28,單極性電壓輸出：例子,設(shè) VREF5V DFFH255時(shí)，最大輸出電壓： Vmax（255/256）5V4.98V D00H時(shí)，最小輸出電壓： Vmin（0/256）5V0V D01H時(shí)，一個(gè)最低有效位（LSB）電壓： VLSB（1/

10、256）5V0.02V,Vout（D/2n）VREF,29,3. 地線的連接,DGND,AGND,模擬電路,數(shù)字電路,ADC,DAC,模擬電路,數(shù)字電路,30,6.2.3 DAC芯片與主機(jī)的連接,DAC芯片相當(dāng)于一個(gè)“輸出設(shè)備”，至少需要一級(jí)鎖存器作為接口電路 考慮到有些DAC芯片的數(shù)據(jù)位數(shù)大于主機(jī)數(shù)據(jù)總線寬度，所以分成兩種情況： 1. 主機(jī)位數(shù)等于或大于DAC芯片位數(shù) 2. 主機(jī)位數(shù)小于DAC芯片位數(shù),31,1. 主機(jī)位數(shù)大于或等于DAC芯片的連接,32,DAC0832：?jiǎn)尉彌_方式,mov al,buf mov dx, portd out dx,al,33,2. 主機(jī)位數(shù)小于DAC芯片的連接

11、,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)需要多次輸出 接口電路也需要多個(gè)（級(jí)）鎖存器保存多次輸出的數(shù)據(jù) 并需要同時(shí)將完整的數(shù)字量提供給DAC轉(zhuǎn)換器,34,兩級(jí)鎖存電路,35,簡(jiǎn)化的兩級(jí)鎖存電路,mov dx,port1 mov al,bl out dx,al mov dx,port2 mov al,bh out dx,al,36,函數(shù)發(fā)生器 只要往D/A轉(zhuǎn)換器寫入按規(guī)律變化的數(shù)據(jù)，即可在輸出端獲得正弦波、三角波、鋸齒波、方波、階梯波、梯形波等函數(shù)波形。 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制 用不同的數(shù)值產(chǎn)生不同的電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 其他需要用電壓/電流來進(jìn)行控制的場(chǎng)合。,6.2.4 DAC芯片的應(yīng)用,37,輸出正向鋸齒波,38,DAC08

12、32：?jiǎn)尉彌_方式,39,MOV DX, PORTD MOV AL, 00H REPEAT: OUT DX, AL INC AL JMP REPEAT,程序片段：,作業(yè),4-1； 4-2； 4-9； （第2版） 5-1； 5-2； 5-12； 5-14；（地址做錯(cuò)） 5-17；（第2版）,41,Review（1） 模擬輸入輸出系統(tǒng),數(shù)字信號(hào),模擬信號(hào),現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)1,現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)2,現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)n,微型 計(jì)算機(jī),放大器,放大器,放大器,多 路 開 關(guān),低通濾波,傳感器,低通濾波,傳感器,低通濾波,傳感器,A/D轉(zhuǎn)換器,采樣保持器,數(shù)字信號(hào),受控對(duì)象,控制信號(hào),模擬信號(hào),D/A轉(zhuǎn)換器,放大驅(qū)動(dòng)電路,鎖存器,4

13、2,D/A變換器的基本工作原理 組成：模擬開關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器 兩種電阻網(wǎng)絡(luò)：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò) 基本結(jié)構(gòu)如圖：,Review（2）,43,Review（3）,分辨率（Resolution） DAC所能分辨的最小電壓增量，反映DAC對(duì)微小輸入量變化的敏感性。 分辨率的高低通常用二進(jìn)制輸入量的位數(shù)來表示，例如分辨率是8位、10位、12位等； 對(duì)一個(gè)分辨率為n位的DAC，能夠分辨滿刻度的的2-n輸入信號(hào) 若有一片10位DAC芯片，其最大輸入電壓為5V，它能分辨出的最小輸出電壓是多少？,5（1/210）=4.9mv,44,Review（4）,轉(zhuǎn)換精度（誤差，Error） 絕對(duì)精度

14、 對(duì)應(yīng)于給定的滿刻度數(shù)字量，D/A實(shí)際輸出與理論值之間的誤差。一般應(yīng)低于1/2LSB。 相對(duì)精度 在滿刻度已校準(zhǔn)的情況下，在整個(gè)刻度范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)于任一數(shù)碼的模擬量輸出與理論值之差。 偏差用最小量化階來度量，如1/2 LSB 偏差用相對(duì)滿刻度的百分比來度量，如0.05% FSR LSB: Least Significant Bit FSR: Full Scale Range,45,穩(wěn)定時(shí)間 DAC加上滿刻度的變化時(shí)（全0變?yōu)槿?），其輸出達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間 DAC的輸入數(shù)字量有滿刻度值的變化時(shí)，其輸出模擬信號(hào)電壓達(dá)到滿刻度值1/2 LSB（最低有效位）時(shí)所需要的時(shí)間。,Review（5）,

15、46,Review（6）：DAC0832邏輯結(jié)構(gòu)框圖,47,Review（7）：利用DAC0832的單緩沖方式輸出正向鋸齒波,MOV DX, PORTD MOV AL, 00H REPEAT: OUT DX, AL INC AL JMP REPEAT,48,6.3 A/D轉(zhuǎn)換器,模擬量,數(shù)字量,49,6.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,存在多種A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，各有特點(diǎn)，分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)合 4種常用的轉(zhuǎn)換技術(shù) 雙積分式 逐次逼近式 計(jì)數(shù)器式 并行式,50,1. 雙積分式,兩個(gè)積分階段實(shí)質(zhì) 是電壓/時(shí)間變換,抗干擾能力強(qiáng)、精度高； 轉(zhuǎn)換速度慢；一般為毫秒量級(jí)。,VIN/VREFT2/T1,51,2

16、. 逐次逼近式,從最高位開始 的逐位試探法,轉(zhuǎn)換速度慢、一般為亞毫秒量級(jí)； 轉(zhuǎn)換時(shí)間固定； 抗干擾能力較差。,52,6.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),分辨率：通常用數(shù)字輸出最低位（LSB）所對(duì)應(yīng)的模擬輸入的電平值表示。（如4位A/D的分辨率為1/24） 精度： 絕對(duì)誤差：對(duì)應(yīng)于一個(gè)數(shù)字量的實(shí)際模擬輸入電壓和理想的模擬輸入電壓之差。 相對(duì)誤差：滿刻度校準(zhǔn)后，在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬輸入量的實(shí)際值與理論值之差，用模擬電壓滿量程的百分比表示。,53,例：滿量程為10V，10位A/D芯片，若其絕對(duì)精度為1/2LSB，則其最小有效位的量化單位=?mv，其絕對(duì)精度為?mV，其相對(duì)精度

17、為?%,=9.77mv 絕對(duì)精度為1/2=4.88mV 相對(duì)精度為4.88mV/10V=0.048%,54,6.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),轉(zhuǎn)換時(shí)間：由啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)開始有效的時(shí)間間隔 電源靈敏度：A/D轉(zhuǎn)換芯片的供電電源的電壓發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差 量程：所能轉(zhuǎn)換模擬電壓的范圍，雙極性和單極性 輸出邏輯電平：與TTL電平兼容 工作溫度范圍：一般在070oC,55,6.3.3 ADC0809芯片,具有A/D轉(zhuǎn)換的基本功能 CMOS工藝制作 8位逐次逼近式ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)間為100 s 包含擴(kuò)展部件 多路開關(guān) 三態(tài)鎖存緩沖器,56,ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,57,1. AD

18、C0809的模擬輸入,提供一個(gè)8通道的多路開關(guān)和尋址邏輯 IN0IN7：8個(gè)模擬電壓輸入端 ADDA、ADDB、ADDC：3個(gè)地址輸入線 ALE：地址鎖存允許信號(hào) ALE的上升沿用于鎖存3個(gè)地址輸入的狀態(tài)，然后由譯碼器從8個(gè)模擬輸入中選擇一個(gè)模擬輸入端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,58,2. ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序,D0D7,OE,EOC,START/ALE,ADDA/B/C,DATA,轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào),轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào),59,3. ADC0809的數(shù)字輸出,ADC0809內(nèi)部鎖存轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 具有三態(tài)數(shù)字量輸出端D0D7 配合輸出允許信號(hào)OE 當(dāng)輸出允許信號(hào)OE為高電平有效時(shí)，將三態(tài)鎖存緩沖器的數(shù)字量從D0D

19、7輸出,60,4. ADC0809的轉(zhuǎn)換公式,輸入模擬電壓,基準(zhǔn)電壓正極,基準(zhǔn)電壓負(fù)極,61,單極性轉(zhuǎn)換示例,基準(zhǔn)電壓VREF(+)5V，VREF()0V 輸入模擬電壓Vin1.5V N （1.50）（50）256 76.8774DH,62,6.3.4 ADC芯片與主機(jī)的連接,ADC芯片相當(dāng)于“輸入設(shè)備”，需要接口電路提供數(shù)據(jù)緩沖器； 主機(jī)需要控制轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)； 主機(jī)還需要及時(shí)獲知轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，并進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入等處理。,63,1. 數(shù)據(jù)輸出線的連接,與主機(jī)的連接可分成兩種方式 直接相連：用于輸出帶有三態(tài)鎖存緩沖器的ADC芯片 通過三態(tài)鎖存器相連：適用于不帶三態(tài)鎖存緩沖器的ADC芯片，也適用帶有三態(tài)

20、鎖存緩沖器的芯片 ADC芯片的數(shù)字輸出位數(shù)大于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線位數(shù)，需把數(shù)據(jù)分多次讀取,64,2. A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)（1）,啟動(dòng)信號(hào)一般有兩種形式 脈沖信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 電平信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換啟動(dòng),轉(zhuǎn)換結(jié)束,65,2. A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)（2）,主機(jī)產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)有兩種方法 編程啟動(dòng) 軟件上，執(zhí)行一個(gè)輸出指令 硬件上，利用輸出指令產(chǎn)生ADC啟動(dòng)脈沖，或產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)有效電平 定時(shí)啟動(dòng) 啟動(dòng)信號(hào)來自定時(shí)器輸出,66,3. 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的處理,不同的處理方式對(duì)應(yīng)程序設(shè)計(jì)方法不同 查詢方式把結(jié)束信號(hào)作為狀態(tài)信號(hào) 中斷方式把結(jié)束信號(hào)作為中斷請(qǐng)求信號(hào) 延時(shí)方式不使用轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) DMA方式把結(jié)束信號(hào)作為DMA請(qǐng)求信號(hào)

21、,67,4. 8位A/D與CPU的接口舉例,68,6.3.5 ADC芯片的應(yīng)用,例1 編程啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷處理 例2 編程啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換結(jié)束查詢處理,中斷方式,D0D7,220H,IRQ2,A0A9,譯碼,Vcc,D0D7,EOC,ADDA ADDB ADDC ALE,模擬輸入 （05V）,500KHz,CLK,VREF(+),+5V,IN0,OE,START,GND,VREF(-),IOR,IOW,主程序,;數(shù)據(jù)段 adtemp db 0;給定一個(gè)臨時(shí)變量 ;代碼段 ;設(shè)置中斷向量等工作 sti;開中斷 mov dx,220h out dx,al;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換 ;其他工作,例1,中斷服務(wù)程序,adintproc sti;開中斷 push ax;保護(hù)寄存器 push dx push ds mov ax,data;設(shè)置數(shù)據(jù)段DS mov ds,ax mov dx,220h in al,dx;讀A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量 mov adtemp,al;送入緩沖區(qū),例1