第8章模擬量的輸入輸出

1、18.1 模擬量輸入輸出接口主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：n模擬量輸入輸出通道的組成模擬量輸入輸出通道的組成nD/A轉(zhuǎn)換器的工作原理、連接及編程轉(zhuǎn)換器的工作原理、連接及編程nA/D轉(zhuǎn)換器的工作原理、連接及編程轉(zhuǎn)換器的工作原理、連接及編程2一、模擬量輸入輸出通道n模擬量的輸入通道：模擬量的輸入通道： 將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的模擬信號(hào)或非電的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的模擬信號(hào)或非電的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為 計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào) 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集n模擬量的輸出通道模擬量的輸出通道 將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量以驅(qū)動(dòng)生將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量以驅(qū)動(dòng)生 產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器件產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器件 過程控制過

2、程控制3模擬量I/O通道的組成：模擬接口電路的任務(wù)模擬接口電路的任務(wù)模擬電路的任務(wù)模擬電路的任務(wù)0010110110101100工工業(yè)業(yè)生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程傳傳感感器器放大放大濾波濾波多路轉(zhuǎn)換多路轉(zhuǎn)換&采樣保持采樣保持A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換放大放大驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換輸出輸出接口接口微微型型計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)輸入輸入接口接口物理量物理量變換變換信號(hào)信號(hào)處理處理信號(hào)信號(hào)變換變換I/O接口接口輸入通道輸入通道輸出通道輸出通道4模擬量I/O接口模擬量模擬量D/A傳感器傳感器執(zhí)行元件執(zhí)行元件A/D數(shù)字量數(shù)字量數(shù)字量數(shù)字量模擬量模擬量模擬量輸入模擬量輸入(數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集)模擬量輸出模擬量輸出(

3、過程控制過程控制)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)5二、數(shù)/模（D/A）變換器掌握：掌握：nD/A變換器的工作原理變換器的工作原理nD/A變換器的主要技術(shù)指標(biāo)變換器的主要技術(shù)指標(biāo)nDAC0832的三種工作模式的三種工作模式nDAC0832的應(yīng)用的應(yīng)用61. D/A變換器的基本構(gòu)成 模擬開關(guān)模擬開關(guān) 電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò) 運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)梯形電阻網(wǎng)絡(luò)VrefRf 模擬開關(guān)模擬開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)VO數(shù)字量數(shù)字量72. 基本變換原理 n運(yùn)放的放大倍數(shù)足夠大時(shí)，輸出電壓運(yùn)放的放大倍數(shù)足夠大時(shí)，輸出電壓VO與輸入與輸入電壓電壓Vin的關(guān)系為：的關(guān)系為：ViRf VOR fOinRV

4、= -VR8基本變換原理n若輸入端有若輸入端有n個(gè)支路個(gè)支路, 則輸出電壓則輸出電壓VO與輸入電與輸入電壓壓Vi的關(guān)系為：的關(guān)系為：n0fini=1i1V = -RVRViRf VOR1Rn9基本變換原理n令每個(gè)支路的輸入電阻為令每個(gè)支路的輸入電阻為2iR，并令基準(zhǔn)電壓，并令基準(zhǔn)電壓Vref =（Rf/Ri）Vi，則有，則有nn0frefrefiii=1i=1f11V = -RV= -V2 R210基本變換原理n如果每個(gè)支路由一個(gè)開關(guān)如果每個(gè)支路由一個(gè)開關(guān)Si控制，控制，Si=1表示表示Si合上，合上，Si=0表示表示Si斷開，則上式斷開，則上式變換為變換為n0irefii=11V = -SV

5、2若若Si=1,該項(xiàng)對(duì)該項(xiàng)對(duì)VO有貢獻(xiàn)；若有貢獻(xiàn)；若Si=0,該項(xiàng)對(duì)該項(xiàng)對(duì)VO無貢獻(xiàn)無貢獻(xiàn)11權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)：2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8這里，上式中的這里，上式中的n=812基本變換原理n如果用如果用8位二進(jìn)制代碼來控制圖中的位二進(jìn)制代碼來控制圖中的S1 S8 (Di=1時(shí)時(shí)Si閉合；閉合；Di=0時(shí)時(shí)Si斷開斷開)，則不同的二進(jìn)制則不同的二進(jìn)制代碼就對(duì)應(yīng)不同輸出電壓代碼就對(duì)應(yīng)不同輸出電壓VO；n當(dāng)代碼在當(dāng)代碼在0FFH之間變化時(shí)，之間變化時(shí)，VO相應(yīng)地在相應(yīng)地在0-(255/256)Vref之間變化；之間變化；n為控制電阻網(wǎng)絡(luò)

6、各支路電阻值的精度，實(shí)際的為控制電阻網(wǎng)絡(luò)各支路電阻值的精度，實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換器采用轉(zhuǎn)換器采用R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，它只用兩梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，它只用兩種阻值的電阻種阻值的電阻(R和和2R)。133. 主要技術(shù)指標(biāo) n分辨率（分辨率（Resolution） 輸入的二進(jìn)制數(shù)每輸入的二進(jìn)制數(shù)每1個(gè)最低有效位個(gè)最低有效位 (LSB)使輸出變化的程度。使輸出變化的程度。n可用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示，如可用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、位、10位等；也可用一個(gè)位等；也可用一個(gè)LSB 使輸出變化的程度來使輸出變化的程度來表示。表示。nLSB Least Significant BitLSB Least Sign

7、ificant Bit14分辯率n一個(gè)滿量程為一個(gè)滿量程為5V的的10位位D/A變換器，變換器，1 LSB的變化將使輸出變化的變化將使輸出變化 5/(210-1) = 5/1023 = 0.04888V = 48.88mV15轉(zhuǎn)換精度（誤差）實(shí)際輸出值與理論值之間的最大偏差實(shí)際輸出值與理論值之間的最大偏差n可用最小量化階可用最小量化階來度量：來度量： =1/2 LSB1/2 LSBn也可用滿量程的百分比來度量：也可用滿量程的百分比來度量： 如如0.05% FSR0.05% FSR(FSR-Full Scale Range)16轉(zhuǎn)換時(shí)間n從開始轉(zhuǎn)換到與滿量程值相差從開始轉(zhuǎn)換到與滿量程值相差1/2

8、 LSB1/2 LSB所對(duì)所對(duì)應(yīng)的模擬量所需要的時(shí)間。應(yīng)的模擬量所需要的時(shí)間。tV1/2 LSBtCVFULL174. DAC0832特點(diǎn)：特點(diǎn)：n8位電流輸出型位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器nT型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)n差動(dòng)輸出差動(dòng)輸出18DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：19主要引線功能輸入寄存器控制信號(hào)：輸入寄存器控制信號(hào)：nD7D0：輸入數(shù)據(jù)線：輸入數(shù)據(jù)線nILE：輸入鎖存允許：輸入鎖存允許nCS：片選信號(hào)：片選信號(hào)nWR1：寫輸入鎖存器：寫輸入鎖存器20主要引線功能用于用于DAC寄存器的控制信號(hào)：寄存器的控制信號(hào)：nWR2：寫：寫DAC寄存器寄存器nXFER：允許輸入鎖存器的數(shù)據(jù)傳送到：允許輸入

9、鎖存器的數(shù)據(jù)傳送到DAC寄存器寄存器21主要引線功能其它引線：其它引線：nVREF：參考電壓。：參考電壓。 -10V+10V，一般為，一般為+5V或或+10VnIOUT1、IOUT2： D/A轉(zhuǎn)換差動(dòng)電流輸出。轉(zhuǎn)換差動(dòng)電流輸出。 用于連接運(yùn)算放大器的輸入用于連接運(yùn)算放大器的輸入nRfb：內(nèi)部反饋電阻引腳，接運(yùn)放輸出內(nèi)部反饋電阻引腳，接運(yùn)放輸出nAGND、DGND：模擬地和數(shù)字地模擬地和數(shù)字地 22工作時(shí)序?qū)戄斎雽戄斎爰拇嫫骷拇嫫鲗憣慏AC寄存器寄存器23工作模式n單緩沖模式單緩沖模式n雙緩沖模式雙緩沖模式n無緩沖模式無緩沖模式24單緩沖模式n使輸入鎖存器或使輸入鎖存器或DAC寄存器二者之一處于

10、直通，寄存器二者之一處于直通，即芯片只占用一個(gè)端口地址。即芯片只占用一個(gè)端口地址。nCPU只需一次寫入即開始轉(zhuǎn)換。寫入數(shù)據(jù)的程只需一次寫入即開始轉(zhuǎn)換。寫入數(shù)據(jù)的程序?yàn)椋盒驗(yàn)椋?MOV DX，PORT MOV AL，DATA OUT DX，AL25雙緩沖模式（標(biāo)準(zhǔn)模式）n對(duì)輸入寄存器和對(duì)輸入寄存器和DAC寄存器均需控制；寄存器均需控制；n當(dāng)輸入寄存器控制信號(hào)有效時(shí)，數(shù)據(jù)寫入輸入寄存當(dāng)輸入寄存器控制信號(hào)有效時(shí)，數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器中；再在器中；再在DAC寄存器控制信號(hào)有效時(shí)，數(shù)據(jù)才寫寄存器控制信號(hào)有效時(shí)，數(shù)據(jù)才寫入入DAC寄存器，并啟動(dòng)變換；寄存器，并啟動(dòng)變換；n此時(shí)芯片占用兩個(gè)端口地址；此時(shí)芯片占

11、用兩個(gè)端口地址；n優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)接收與優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)接收與D/A轉(zhuǎn)換可異步進(jìn)行；轉(zhuǎn)換可異步進(jìn)行； 可實(shí)現(xiàn)多個(gè)可實(shí)現(xiàn)多個(gè)DAC同步轉(zhuǎn)換輸出同步轉(zhuǎn)換輸出n特點(diǎn)：特點(diǎn)：分時(shí)寫入、同步轉(zhuǎn)換分時(shí)寫入、同步轉(zhuǎn)換26雙緩沖模式同步轉(zhuǎn)換例27雙緩沖模式的數(shù)據(jù)寫入程序MOV AL，data MOV DX，port1 0832-1的輸入寄存器地址的輸入寄存器地址OUT DX，ALMOV DX，port2 0832-2的輸入寄存器地址的輸入寄存器地址OUT DX，AL MOV DX，port3 DAC寄存器地址寄存器地址OUT DX，AL HLT28無緩沖器模式n使內(nèi)部的兩個(gè)寄存器都處于直通狀態(tài)。模擬使內(nèi)部的兩個(gè)寄存器都處

12、于直通狀態(tài)。模擬輸出始終跟隨輸入變化。輸出始終跟隨輸入變化。n不能直接與數(shù)據(jù)總線連接，需外加并行接口不能直接與數(shù)據(jù)總線連接，需外加并行接口(如如74LS373、8255等等)。295. D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器 用于閉環(huán)控制系統(tǒng)用于閉環(huán)控制系統(tǒng)向向D/A轉(zhuǎn)換器寫入某種按規(guī)轉(zhuǎn)換器寫入某種按規(guī)律變化的數(shù)據(jù)，即可在輸出律變化的數(shù)據(jù)，即可在輸出端獲得相應(yīng)的各種波形端獲得相應(yīng)的各種波形30三、模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：nA/D轉(zhuǎn)換器的一般工作原理；轉(zhuǎn)換器的一般工作原理；nA/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)；轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)；nA/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用與系統(tǒng)的連接與系統(tǒng)的連

13、接數(shù)據(jù)采集程序的編寫數(shù)據(jù)采集程序的編寫311. A/D轉(zhuǎn)換器用途n用于將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信用于將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的裝置，簡(jiǎn)稱號(hào)的裝置，簡(jiǎn)稱ADC，是模擬系統(tǒng)與計(jì)算是模擬系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的接口部件。機(jī)之間的接口部件。322. A/D轉(zhuǎn)換器類型n計(jì)數(shù)型計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 速度慢、價(jià)格低，適用于慢速系統(tǒng)速度慢、價(jià)格低，適用于慢速系統(tǒng)n雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 分辯率高、抗干擾性好、轉(zhuǎn)換速度慢，適用于中速系統(tǒng)分辯率高、抗干擾性好、轉(zhuǎn)換速度慢，適用于中速系統(tǒng)n逐位反饋型逐位反饋型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換精度高、速度快、抗干擾性差轉(zhuǎn)換精度高、速度快、抗干擾性差3

14、3逐位反饋型A/D轉(zhuǎn)換器D/A+ +- -V Vi i比較器逐次變換寄存器SAR 數(shù)字量輸出時(shí)序及控制邏輯 VC原理：類似天平稱重量時(shí)的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量去逼近被稱物原理：類似天平稱重量時(shí)的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量去逼近被稱物343. 主要技術(shù)指標(biāo)n轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 量化誤差量化誤差 非線性誤差非線性誤差 其它誤差其它誤差n總誤差總誤差=各誤差的均方根各誤差的均方根影響精度的誤差影響精度的誤差35量化間隔n一個(gè)最低有效位對(duì)應(yīng)的模擬量，即一個(gè)最低有效位對(duì)應(yīng)的模擬量，即 =Vmax /（2n-1）n例：某例：某8位位ADC的滿量程電壓為的滿量程電壓為5V，則其分，則其分辨率為：辨率為

15、： 5V/255=19.6mV36量化誤差n絕對(duì)量化誤差絕對(duì)量化誤差=1/2 n相對(duì)量化誤差相對(duì)量化誤差=（1/2） 1LSB 100%37量化誤差n例：例： 設(shè)滿量程電壓設(shè)滿量程電壓=10V， A/D變換器位數(shù)變換器位數(shù)=10位，則：位，則： 絕對(duì)量化誤差絕對(duì)量化誤差 10/211 = 4.88mV 相對(duì)量化誤差相對(duì)量化誤差 1/211 *100% = 0.049%38轉(zhuǎn)換時(shí)間n實(shí)現(xiàn)一次轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間實(shí)現(xiàn)一次轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間n精度越高（字長(zhǎng)越長(zhǎng)），轉(zhuǎn)換速度越慢。精度越高（字長(zhǎng)越長(zhǎng)），轉(zhuǎn)換速度越慢。39輸入動(dòng)態(tài)范圍n允許轉(zhuǎn)換的電壓的范圍允許轉(zhuǎn)換的電壓的范圍 如如05V、010V等。等。404.

16、ADC0809n8通道（通道（8路）輸入路）輸入n8位字長(zhǎng)位字長(zhǎng) n逐位逼近型逐位逼近型n轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間100s n內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器41主要引腳功能nD7D0：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）nIN0IN7：8通道（路）模擬輸入通道（路）模擬輸入nADDA、ADDB、ADDC：通道地址：通道地址nALE：通道地址鎖存：通道地址鎖存nSTART：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換nEOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)輸出：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)輸出nOE：輸出允許（打開輸出三態(tài)門）：輸出允許（打開輸出三態(tài)門）nCLK：時(shí)鐘輸入（：時(shí)鐘輸入（10KHz1.2MHz）42START EOC CLK OED7D0V

17、REF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比較器比較器8路模路模擬開擬開關(guān)關(guān)逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器SAR樹狀開關(guān)樹狀開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)三態(tài)三態(tài)輸出輸出鎖存鎖存器器時(shí)序與控制時(shí)序與控制地址地址鎖存鎖存及及譯碼譯碼D/A8個(gè)個(gè)模模擬擬輸輸入入通通道道8選選1內(nèi)部結(jié)構(gòu)：43工作時(shí)序啟動(dòng)啟動(dòng)地址地址鎖存鎖存ADDA-ADDCADDA-ADDCALE/STARTALE/STARTEOCEOCOEOED D0-0-D D7 7轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間44ADC0809工作過程n送通道地址，以選擇要轉(zhuǎn)換的模擬輸入；送通道地址，以選擇要轉(zhuǎn)換的模擬輸入；n鎖存通道地址到內(nèi)部地址鎖存器

18、；鎖存通道地址到內(nèi)部地址鎖存器；n啟動(dòng)啟動(dòng)A/D變換；變換；n判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；n讀轉(zhuǎn)換結(jié)果讀轉(zhuǎn)換結(jié)果45ADC0809的應(yīng)用n芯片與系統(tǒng)的連接芯片與系統(tǒng)的連接n編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序46芯片與系統(tǒng)的連接模擬輸入端模擬輸入端Ini ：?jiǎn)温份斎霑r(shí)單路輸入時(shí)ADDCADDBADDAIN4ADC0809輸入輸入多路輸入時(shí)多路輸入時(shí)ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸入輸入0輸入輸入1輸入輸入2輸入輸入3輸入輸入4CPU指定指定通道號(hào)通道號(hào)+5V47通道地址線的連接n多路輸入時(shí)，地址線不能接死，要通過一個(gè)接口芯多路輸入時(shí)，地址線

19、不能接死，要通過一個(gè)接口芯片與數(shù)據(jù)總線連接。片與數(shù)據(jù)總線連接。n接口芯片可以選用：接口芯片可以選用： 簡(jiǎn)單接口芯片簡(jiǎn)單接口芯片74LS273，74LS373等等（占用一個(gè)占用一個(gè)I/O地址地址） 可編程并行接口可編程并行接口8255（占用四個(gè)占用四個(gè)I/O地址地址）48通道地址線的連接ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸輸入入DB74LS273Q2Q1Q0CP來自來自I/O譯碼譯碼D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#來自來自I/O譯碼譯碼D0-D7A1A0A1A049數(shù)據(jù)輸出線的連接n可直接連到可直接連到DB上，或通過另外一個(gè)輸入接口與上，或通過另外一個(gè)輸入接口與DB相連；相連；n兩種方法均需占用一個(gè)兩種方法均需占用一個(gè)I/O地址地址D0-D7ADC0809DBOE來自來自I/O譯碼譯碼D0-D7ADC0809DBOE來自來自I/O譯碼譯碼直接連直接連DB通過輸入接口連通過輸入接口連DB74LS244+5VDIDOE1#E2#50ALE和START端的連接n獨(dú)立連接：獨(dú)立連接：用兩個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行控制，需占用兩個(gè)用兩個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行控制，需占用兩個(gè)I/O端口端口 或兩個(gè)或兩個(gè)I/O線；線；n統(tǒng)