微机原理 第8章

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1、,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,8,章 模拟量的输入输出,本章内容,模拟量输入输出通道的组成,D/A,转换器,原理及连接使用方法,A/D,转换器,原理及连接使用方法,数据采集,A/D,、,D/A,接口设计要点,模拟量,I/O,接口的作用：,实际工业生产环境,连续变化的模拟量,例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量,计算机内部,离散的数字量,二进制数、十进制数,工业生产过程的闭环控制,概述,模拟量,D/A,传感器,执行元件,A/D,数字量,数字量

2、,模拟量,模拟量输入,(,数据采集,),模拟量输出,(,过程控制,),计算机,8.1,模拟量,I/O,通道的组成,模拟接口电路的任务,模拟电路的任务,00101101,10101100,工,业,生,产,过,程,传感器,放大,滤波,多路转换,&,采样保持,A/D,转换,放大,驱动,D/A,转换,输出,接口,微,型,计,算,机,执行机构,输入,接口,物理量,变换,信号,处理,信号,变换,I/O,接口,输入通道,输出通道,模拟量输入通道,传感器（,Transducer,）,非电量,电压、电流,变送器（,Transformer,）,转换成标准的电信号,信号处理（,Signal Processing,）

3、,放大、整形、滤波,多路转换开关（,Multiplexer,）,多选一,采样保持电路（,Sample Holder,，,S/H,）,保证变换时信号恒定不变,A/D,变换器（,A/D Converter,）,模拟量转换为数字量,模拟量输出通道,D/A,变换器（,D/A Converter,）,数字量转换为模拟量,低通滤波,平滑输出波形,放大驱动,提供足够的驱动电压，电流,8.2,数,/,模（,D/A,）变换器,8.2.1 D/A,变换器的基本原理及技术指标,D/A,变换器的基本工作原理,组成：模拟开关、,电阻网络,、运算放大器,两种电阻网络：权电阻网络、,R-2R,梯形电阻网络,基本结构如图：,

4、V,ref,R,f,模拟开关,电阻网络,V,O,数字量,D/A,变换原理,运放的放大倍数足够大时，输出电压,V,O,与输入电压,V,in,的关系为：,式中：,R,f,为反馈电阻,R,为输入电阻,V,in,R,f,V,O,R,若输入端有,n,个支路,则输出电压,V,O,与输入电压,V,i,的关系为：,V,in,R,f,V,O,R,1,式中：,R,i,为第,i,支路的输,入电阻,R,n,令每个支路的输入电阻为,2,i,R,f,并令,V,in,为一基准电压,V,ref,，则有,如果每个支路由一个开关,S,i,控制，,S,i,=1,表示,S,i,合上，,S,i,=0,表示,S,i,断开，则上式变换为,

5、若,S,i,=1,该项对,V,O,有贡献,若,S,i,=0,该项对,V,O,无贡献,2R,4R,8R,16R,32R,64R,128R,256R,V,ref,R,f,V,O,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,与上式相对应的电路如下,(,图中,n=8),：,图中的电阻网络就称为,权电阻网络,如果用,8,位二进制代码来控制图中的,S,1,S,8,(D,i,=1,时,S,i,闭合；,D,i,=0,时,S,i,断开,),，那么根据二进制代码的不同，输出电压,V,O,也不同，这就构成了,8,位的,D/A,转换器。,可以看出，当代码在,0,FFH,之间变化时，,V,O,相应地在,0,-(25

6、5/256)V,ref,之间变化。,为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的,D/A,转换器采用,R-2R,梯形电阻网络,(,见下页,),，它只用两种阻值的电阻,(R,和,2R),。,R-2R,梯形电阻网络,D/A,转换器的主要技术指标,分辨率（,Resolution,）,输入的二进制数每,1,个最低有效位,(LSB),使输出变化的程度。,一般用输入数字量的位数来表示,:,如,8,位、,10,位,例：一个满量程为,5V,的,10,位,DAC,，,1,LSB,的变化将使输出变化,5/(2,10,-1)=5/1023=0.04888V=48.88mV,转换精度（误差）,实际输出值与理论值之间的最大

7、偏差。,一般用最小量化阶,来度量，如,1/2 LSB,也可用满量程的百分比来度量，如,0.05%FSR,(LSB-Least Significant Bit,FSR-Full Scale Range),转换时间,从开始转换到与满量程值相差,1/2 LSB,所对应的模拟量所需要的时间,t,V,1/2 LSB,t,C,V,FULL,8.2.2,典型,D/A,转换器,DAC0832,特性：,8,位电流输出型,D/A,转换器,T,型电阻网络,差动输出,引线图见教材,p331,DAC0832,内部结构,引脚功能,D,7,D,0,：输入数据线,ILE,：输入锁存允许,CS#,：片选信号,WR,1,#,：写

8、输入锁存器,上述三个信号用于把数据写入到输入锁存器,WR,2,#,：写,DAC,寄存器,XFER#,：允许输入锁存器的数据传送到,DAC,寄存器,上述二个信号用于启动转换,V,REF,：参考电压，,-10V,+10V,，一般为,+5V,或,+10V,I,OUT1,、,I,OUT2,：,D/A,转换差动电流输出，接运放的输入,R,fb,：内部反馈电阻引脚，接运放输出,AGND,、,DGND,：模拟地和数字地,工作时序,D/A,转换可分为两个阶段：,CS#=0,、,WR1#=0,、,ILE=1,，使输入数据锁存到输入寄存器；,WR2#=0,、,XFER#=0,，数据传送到,DAC,寄存器，并开始转

9、换。,写输入寄存器,写,DAC,寄存器,工作方式,单缓冲方式,使输入锁存器或,DAC,寄存器二者之一处于直通,。,CPU,只需一次写入即开始转换。控制比较简单。见教材,p333,图。,双缓冲方式（标准方式）,转换要有两个步骤：,将数据写入输入寄存器,CS#=0,、,WR1#=0,、,ILE=1,将输入寄存器的内容写入,DAC,寄存器,WR2#=0,、,XFER#=0,优点：数据接收与,D/A,转换可异步进行；,可实现多个,DAC,同步转换输出,分时写入,、,同步转换,直通方式,使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终跟随输入变化。,不能直接与数据总线连接,，需外加并行接口,(,如,74L

10、S373,、,8255,等,),。,双缓冲方式,同步转换举例,A,10,-A,0,译码器,0832-1,0832-2,port1,port2,port3,双缓冲方式的程序段示例,本例中三个端口地址的用途：,port1,选择,0832-1,的输入寄存器,port2,选择,0832-2,的输入寄存器,port3,选择,0832-1,和,0832-2,的,DAC,寄存器,MOV AL,，,data,;,要转换的数据送,AL,MOV DX,，,port1,;,0832-1,的输入寄存器地址送,DX,OUT DX,，,AL ;,数据送,0832-1,的输入寄存器,MOV DX,，,port2,;,083

11、2-2,输入寄存器地址送,DX,OUT DX,，,AL ;,数据送,0832-2,的输入寄存器,MOV DX,，,port3,;,DAC,寄存器端口地址送,DX,OUT DX,，,AL ;,数据送,DAC,寄存器，并启动同步转换,HLT,D/A,转换器的应用,函数发生器,只要往,D/A,转换器写入按规律变化的数据，即可在输出端获得正弦波、三角波、锯齿波、方波、阶梯波、梯形波等函数波形。,直流电机的转速控制。,8.3,模,/,数（,A/D,）转换器,用途,将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便于计算机进行处理。常用于数据采集系统。,类型,计数型,A/D,变换器,双积分型,A/D,变换器,逐位反

12、馈型,A/D,变换器,8.3.1,工作原理及技术指标,逐次逼近型,A/D,转换器,结构：由,D/A,转换器、比较器和逐次逼近寄存器,SAR,组成。见教材。,工作原理,类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称物体。例如：,用,8,个砝码,2,0,g,，,2,1,g,，,，,2,7,g,，可以称出,1,255g,之 间的物体。现有一物体，用砝码称出其重量（假定重量为,176g,）。,1,）,ADC,从高到低,逐次给,SAR,的每一位“置,1”,（即加上不同权重的砝码），,SAR,相当于放法码的称盘；,2,）每次,SAR,中的数据经,D/A,转换为电压,V,C,；,3,）,V,C,与

13、输入电压,V,i,比较，若,V,C,V,i,，保持当前位的,1,，否则当前位置,0,；,4,）从高到低逐次比较下去，直到,SAR,的每一位都尝试完；,5,）,SAR,内的数据就是与,V,i,相对应的,2,进制数。,主要技术指标,精度,量化间隔,(,分辨率,)=,V,max,/,电平数,(,即满量程值,),例：某,8,位,ADC,的满量程电压为,5V,，则其分辨率为,5V/255=19.6mV,量化误差,:,用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量,字长有限,而无法精确地表示连续量所造成的误差。,(,字长越长，精度越高,),绝对量化误差,=,量化间隔,/2=(,满量程电压,/(2,n,-1)/2

14、,相对量化误差,=1/2*1/,量化电平数目*,100%,例：满量程电压,=10V,，,A/D,变换器位数,=10,位，则,绝对量化误差,10/2,11,=4.88mV,相对量化误差,1/2,11,*100%=0.049%,主要技术指标（续）,转换时间,转换一次需要的时间。精度越高（字长越长），转换速度越慢。,输入动态范围,允许转换的电压的范围。如,0,5V,、,0,10V,等。,典型的,A/D,转换器简介,ADC0809,8,通道（,8,路）输入,8,位字长,逐位逼近型,转换时间,100s,内置三态输出缓冲器,外部引脚见教材,p359,引脚功能,D7,D0,：输出数据线（三态）,IN0,IN

15、7,：,8,通道（路）模拟输入,ADDA,、,ADDB,、,ADDC,：通道地址（通道选择）,ALE,：通道地址锁存,START,：启动转换,EOC,：转换结束，可用于查询或作为中断申请,OE,：输出允许（打开输出三态门）,CLK,：时钟输入（,10KHz,1.2MHz,）,V,REF,(+),、,V,REF,(-),：基准参考电压,ADC0809,内部结构,START EOC CLK,OE,D7,D0,VREF(+)VREF(-),ADDC,ADDB,ADDA,ALE,IN0,IN7,比较器,8,路模拟开关,逐位逼近寄存器,SAR,树状开关,电阻网络,三态输出锁存器,时序与控制,地址锁存及,

16、译码,D/A,8,个模拟输入通道,8,选,1,工作时序,ADC0809,的工作过程,根据时序图，,ADC0809,的工作过程如下：,把,通道地址送到,ADDA,ADDC,上,，选择模拟输入；,在通道地址信号有效期间，,ALE,上的,上升沿,该地址锁存到内部地址锁存器；,START,引脚上的,下降沿,启动,A/D,变换；,变换开始后，,EOC,引脚呈现低电平，,EOC,重新变为高电平时表示转换结束；,OE,信号打开,输出锁存器的三态门送出结果。,ADC0809,与系统的连接,模拟输入端,IN,i,单路输入,模拟信号可固定连接到任何一个输入端,地址线根据输入线编号固定连接,(,高电平或低电平,),多路输入,模拟信号按顺序分别连接到输入端,要转换哪一路输入，就将其编号送到地址线上,(,动态选择,),单路输入时,ADDC,ADDB,ADDA,IN4,ADC0809,输入,多路输入时,ADDC,ADDB,ADDA,IN0,IN1,IN2,IN3,IN4,ADC0809,输入,0,输入,1,输入,2,输入,3,输入,4,CPU,指定,通道号,+5V,地址线,ADDA-ADDC,多路输入时，地址线不