第8微機原理與接口技術(shù)清華大學(xué)ppt課件

1、 第第8 8章章 模擬量的輸入輸出模擬量的輸入輸出主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：模擬量輸入輸出通道的組成模擬量輸入輸出通道的組成D/A轉(zhuǎn)換器的任務(wù)原理、銜接及編程轉(zhuǎn)換器的任務(wù)原理、銜接及編程A/D轉(zhuǎn)換器的任務(wù)原理、銜接及編程轉(zhuǎn)換器的任務(wù)原理、銜接及編程模擬量的輸入輸出通道模擬量的輸入輸出通道模擬量模擬量I/O通道：通道：模擬接口電路的義務(wù)模擬接口電路的義務(wù)模擬電路的義務(wù)模擬電路的義務(wù)0010110110101100n工工n業(yè)業(yè)n生生n產(chǎn)產(chǎn)n過過n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&采樣堅持采樣堅持A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換放大放大驅(qū)動驅(qū)動D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換輸出輸出接口接口n微微n型型n計計n算算n

2、機機執(zhí)行執(zhí)行機構(gòu)機構(gòu)輸入輸入接口接口物理量物理量變換變換信號信號處置處置信號信號變換變換I/O接口接口輸入通道輸入通道輸出通道輸出通道變變送送器器模擬量的輸入通道模擬量的輸入通道n傳感器傳感器Transducern 非電量非電量電壓、電流電壓、電流 n變送器變送器Transformern 轉(zhuǎn)換成規(guī)范的電信號轉(zhuǎn)換成規(guī)范的電信號n信號處置信號處置Signal Processingn 放大、整形、濾波放大、整形、濾波 模擬量的輸入通道模擬量的輸入通道l多路轉(zhuǎn)換開關(guān)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)Multiplexerl多項選擇一多項選擇一l采樣堅持電路采樣堅持電路Sample Holder，S/Hl保證變換時信號恒定不

3、變保證變換時信號恒定不變lA/D變換器變換器A/D Converterl模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量模擬量的輸出通道模擬量的輸出通道lD/A變換器變換器D/A Converterl 數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量l低通濾波低通濾波l 平滑輸出波形平滑輸出波形l放大驅(qū)動放大驅(qū)動l 提供足夠的驅(qū)動電壓，電流提供足夠的驅(qū)動電壓，電流數(shù)數(shù)/模模D/A變換器變換器掌握：掌握：lD/A變換器的任務(wù)原理變換器的任務(wù)原理lD/A變換器的主要技術(shù)目的變換器的主要技術(shù)目的lDAC0832的三種任務(wù)方式的三種任務(wù)方式lDAC0832的運用的運用一、一、D/A變換器的任務(wù)原理變換器的任務(wù)原理 模擬開關(guān)模

4、擬開關(guān) 電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò) 運算放大器運算放大器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)字量根本變換原理根本變換原理l運放的放大倍數(shù)足夠大時，輸出電壓運放的放大倍數(shù)足夠大時，輸出電壓VO與輸與輸入入l 電壓電壓Vin的關(guān)系為：的關(guān)系為：VinRf VOR fOinRV = -VR根本變換原理根本變換原理l假設(shè)輸入端有假設(shè)輸入端有n個支路個支路, 那么輸出電壓那么輸出電壓VO與輸與輸入電壓入電壓Vi的關(guān)系為：的關(guān)系為：n0fini=1i1V =-RVRVinRf VOR1Rn權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S

5、6S7S8這里，上式中的這里，上式中的n=8根本變換原理根本變換原理l假設(shè)每個支路由一個開關(guān)假設(shè)每個支路由一個開關(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，那么上斷開，那么上式變換為式變換為n0irefii=11V = -SV2假設(shè)假設(shè)Si=1,該項對該項對VO有奉獻；有奉獻；假設(shè)假設(shè)Si=0,該項對該項對VO無奉獻無奉獻根本變換原理根本變換原理l假設(shè)用假設(shè)用8位二進制代碼來控制圖中的位二進制代碼來控制圖中的S1S8(Di=1時時Si閉合；閉合；Di=0時時Si斷開斷開)，那么不同的，那么不同的二進制代碼就對應(yīng)不同輸出電壓二進制代碼就對應(yīng)不同輸出電壓VO；l當(dāng)代

6、碼在當(dāng)代碼在0FFH之間變化時，之間變化時，VO相應(yīng)地在相應(yīng)地在l 0(255/256)Vref之間變化；之間變化；l為控制電阻網(wǎng)絡(luò)各支路電阻值的精度，實踐的為控制電阻網(wǎng)絡(luò)各支路電阻值的精度，實踐的D/A轉(zhuǎn)換器采用轉(zhuǎn)換器采用R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，它只用兩種梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，它只用兩種阻值的電阻阻值的電阻(R和和2R)。實踐的實踐的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)梯形電阻網(wǎng)絡(luò)R Rf fViV0Vrefn-1n-12 21 10 02R2R2R2R2R2R2R2RR RR RR RVn-1V2V1V02R2R+ +- -.二、主要技術(shù)目的二、主要技術(shù)目的l分辨率分辨率Resolutionl輸

7、入的二進制數(shù)每輸入的二進制數(shù)每1個最低有效位個最低有效位 (LSB)使使輸出變化的程度。輸出變化的程度。l表示：表示：l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位位等；等；l也可用一個也可用一個LSB Least Significant Bit使使輸出變化的程度來表示。輸出變化的程度來表示。分辯率例分辯率例l一個滿量程為一個滿量程為5V的的10位位D/A變換器，變換器，1 LSB的的變化將使輸出變化：變化將使輸出變化：l 5/(210-1) = 5/1023l = 0.04888Vl = 48.88mV轉(zhuǎn)換精度誤差轉(zhuǎn)換精度誤差實踐輸出值與實際值之間的最大偏向?qū)?/p>

8、踐輸出值與實際值之間的最大偏向影響轉(zhuǎn)換精度的要素：影響轉(zhuǎn)換精度的要素： 分辯率分辯率 電源動搖電源動搖 溫度變化溫度變化 轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間l從開場轉(zhuǎn)換到與滿量程值相差從開場轉(zhuǎn)換到與滿量程值相差1/2 LSB所對所對應(yīng)的模擬量所需求的時間應(yīng)的模擬量所需求的時間tV1/2 LSBtCVFULL三、典型的三、典型的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DAC0832特點：特點：8位電流輸出型位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)差動輸出差動輸出DAC0832的內(nèi)部構(gòu)造的內(nèi)部構(gòu)造主要引腳功能主要引腳功能輸入存放器控制信號：輸入存放器控制信號：D7D0：輸入數(shù)據(jù)線：輸入數(shù)據(jù)線ILE：輸入鎖存允許：輸入鎖存允許

9、CS：片選信號：片選信號WR1：寫輸入鎖存器：寫輸入鎖存器1234567891020191817161514131211VCCILEWR2XFERD4D5D6D7LOUT2LOUT1CSWR1AGNDD3D2D1D0VREFRfbDGNDDAC0832主要引腳功能主要引腳功能用于用于DAC存放器的控制信號：存放器的控制信號：WR2：寫：寫DAC存放器存放器XFER：允許輸入鎖存器的數(shù)據(jù)傳送到：允許輸入鎖存器的數(shù)據(jù)傳送到DAC存放存放器器主要引腳功能主要引腳功能其它引線：其它引線：VREF：參考電壓。：參考電壓。 -10V+10V，普通為，普通為+5V或或+10VIOUT1、IOUT2：D/A轉(zhuǎn)

10、換差動電流輸出。轉(zhuǎn)換差動電流輸出。 用于銜接運算放大器的輸入用于銜接運算放大器的輸入Rfb：內(nèi)部反響電阻引腳，接運放輸出：內(nèi)部反響電阻引腳，接運放輸出AGND、DGND：模擬地和數(shù)字地：模擬地和數(shù)字地 任務(wù)方式任務(wù)方式單緩沖方式單緩沖方式雙緩沖方式雙緩沖方式無緩沖方式無緩沖方式單緩沖方式單緩沖方式l使輸入鎖存器或使輸入鎖存器或DAC存放器二者之一處于直通，存放器二者之一處于直通，即芯片只占用一個端口地址。即芯片只占用一個端口地址。lCPU只需一次寫入即開場轉(zhuǎn)換。寫入數(shù)據(jù)的程只需一次寫入即開場轉(zhuǎn)換。寫入數(shù)據(jù)的程序為：序為：l MOV DX，PORTl MOV AL，DATAl OUT DX，AL

11、與系統(tǒng)的與系統(tǒng)的銜接見教銜接見教材材p332圖圖雙緩沖方式規(guī)范方式雙緩沖方式規(guī)范方式l對輸入存放器和對輸入存放器和DAC存放器均需控制。存放器均需控制。l當(dāng)輸入存放器控制信號有效時，數(shù)據(jù)寫入輸入當(dāng)輸入存放器控制信號有效時，數(shù)據(jù)寫入輸入l 存放器中；再在存放器中；再在DAC存放器控制信號有效時，存放器控制信號有效時，l 數(shù)據(jù)才寫入數(shù)據(jù)才寫入DAC存放器，并啟動變換。存放器，并啟動變換。l此時芯片占用兩個端口地址。此時芯片占用兩個端口地址。l優(yōu)點：優(yōu)點：l數(shù)據(jù)接納與數(shù)據(jù)接納與D/A轉(zhuǎn)換可異步進展；轉(zhuǎn)換可異步進展；l可實現(xiàn)多個可實現(xiàn)多個DAC同步轉(zhuǎn)換輸出同步轉(zhuǎn)換輸出l分時寫入、同步轉(zhuǎn)換分時寫入、同步

12、轉(zhuǎn)換任務(wù)時序任務(wù)時序D0-D7CSWR1ILE（高電平）WR2XFER（模擬輸出電流變化）寫輸入寫輸入存放器存放器寫寫DAC存放器存放器雙緩沖方式同步轉(zhuǎn)換例雙緩沖方式同步轉(zhuǎn)換例譯碼器譯碼器A10-A00832-10832-2port1port2port3MOV AL，data MOV DX，port1OUT DX，ALMOV DX，port2OUT DX，AL MOV DX，port3OUT DX，AL HLT雙緩沖方式的數(shù)據(jù)寫入程序雙緩沖方式的數(shù)據(jù)寫入程序0832-1的輸入存放器地址的輸入存放器地址0832-2的輸入存放器地址的輸入存放器地址DAC存放器地址存放器地址無緩沖器方式無緩沖器方式

13、l使內(nèi)部的兩個存放器都處于直通形狀。模擬輸使內(nèi)部的兩個存放器都處于直通形狀。模擬輸出一直跟隨輸入變化。出一直跟隨輸入變化。l不能直接與數(shù)據(jù)總線銜接，需外加并行接口不能直接與數(shù)據(jù)總線銜接，需外加并行接口(如如74LS373、8255等等)。四、四、D/A轉(zhuǎn)換器的運用轉(zhuǎn)換器的運用 信號發(fā)生器信號發(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)的各種波形模模/數(shù)數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器要點：要點：lA/D轉(zhuǎn)換器的普通任務(wù)原理；轉(zhuǎn)換器的普通任務(wù)原理；lA/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)目的；轉(zhuǎn)換器的主要

14、技術(shù)目的；lA/D轉(zhuǎn)換器的運用轉(zhuǎn)換器的運用l與系統(tǒng)的銜接與系統(tǒng)的銜接l數(shù)據(jù)采集程序的編寫數(shù)據(jù)采集程序的編寫A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器l用于將延續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的用于將延續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的安裝，簡稱安裝，簡稱ADC，是模擬系統(tǒng)與計算機之間的，是模擬系統(tǒng)與計算機之間的接口部件。接口部件。A/D轉(zhuǎn)換器類型轉(zhuǎn)換器類型l計數(shù)型計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器l -速度慢、價錢低，適用于慢速系統(tǒng)速度慢、價錢低，適用于慢速系統(tǒng)l雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器l -分辯率高、抗干擾性好、轉(zhuǎn)換速度慢，分辯率高、抗干擾性好、轉(zhuǎn)換速度慢，適用于中速適用于中速l 系統(tǒng)系統(tǒng)l逐位反響型逐位反響型A/D轉(zhuǎn)

15、換器轉(zhuǎn)換器l -轉(zhuǎn)換精度高、速度快、抗干擾性差轉(zhuǎn)換精度高、速度快、抗干擾性差一、一、A/D轉(zhuǎn)換器的任務(wù)原理轉(zhuǎn)換器的任務(wù)原理l逐位反響型逐位反響型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器l類似天平稱分量時的嘗試法，逐漸用砝碼的累積類似天平稱分量時的嘗試法，逐漸用砝碼的累積分量去逼近被稱物體分量去逼近被稱物體D/A+ +- -V Vi i比較器逐次變換寄存器SAR 數(shù)字量輸出時序及控制邏輯 VC二、主要技術(shù)目的二、主要技術(shù)目的l轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度l量化誤差量化誤差l非線性誤差非線性誤差l其它誤差其它誤差l總誤差總誤差=各誤差的均方根各誤差的均方根量化間隔量化間隔l一個最低有效位對應(yīng)的模擬量一個最低有效位對應(yīng)的模擬量l =

16、Vmax /2n-1l例：某例：某8位位ADC的滿量程電壓為的滿量程電壓為5V，那么其分，那么其分辨率為：辨率為： l 5V/255=19.6mV量化誤差量化誤差l絕對量化誤差絕對量化誤差=1/2 l相對量化誤差相對量化誤差=1/2 1LSB 100%l例：例：l 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，位，l 那么：那么：l絕對量化誤差絕對量化誤差 10/211 = 4.88mVl相對量化誤差相對量化誤差 1/211 *100% = 0.049%轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間l實現(xiàn)一次轉(zhuǎn)換需求的時間。精度越高字長越實現(xiàn)一次轉(zhuǎn)換需求的時間。精度越高字長越長，轉(zhuǎn)換速度越慢。長，轉(zhuǎn)

17、換速度越慢。輸入動態(tài)范圍輸入動態(tài)范圍l允許轉(zhuǎn)換的電壓的范圍。允許轉(zhuǎn)換的電壓的范圍。l 如如05V、010V等。等。三、典型的三、典型的A/D轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809：8通道通道8路輸入路輸入8位字長位字長 逐位逼近型逐位逼近型轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間100s 內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器主要引腳功能主要引腳功能lD7D0：輸出數(shù)據(jù)線三態(tài)：輸出數(shù)據(jù)線三態(tài)lIN0IN7：8通道路模擬輸入通道路模擬輸入lADDA、ADDB、ADDC：通道地址：通道地址lALE：通道地址鎖存：通道地址鎖存lSTART：啟動轉(zhuǎn)換：啟動轉(zhuǎn)換lEOC：轉(zhuǎn)換終了形狀輸出：轉(zhuǎn)換終了形狀輸出lOE：輸出允許翻開輸出三態(tài)

18、門：輸出允許翻開輸出三態(tài)門lCLK：時鐘輸入：時鐘輸入10KHz1.2MHz內(nèi)部構(gòu)造內(nèi)部構(gòu)造IN7IN08個個模模擬擬輸輸入入通通道道START EOC CLK OED7D0VREF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALE比較器比較器8路模路模擬開擬開關(guān)關(guān)逐位逼近存放器逐位逼近存放器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序與控制時序與控制地址地址鎖存鎖存及及譯碼譯碼D/A8選選1任務(wù)時序任務(wù)時序啟動啟動地址地址鎖存鎖存ADDA-ADDCADDA-ADDCALE/STARTALE/STARTEOCEOCOEOED D0-0-D D7 7轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間A

19、DC0809的任務(wù)過程的任務(wù)過程由時序圖知由時序圖知ADC0809的任務(wù)過程如下：的任務(wù)過程如下：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；鎖存通道地址到內(nèi)部地址鎖存器；鎖存通道地址到內(nèi)部地址鎖存器；啟動啟動A/D變換；變換；判別轉(zhuǎn)換能否終了；判別轉(zhuǎn)換能否終了；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果讀轉(zhuǎn)換結(jié)果ADC0809的運用的運用l芯片與系統(tǒng)的銜接芯片與系統(tǒng)的銜接l編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序芯片與系統(tǒng)的銜接芯片與系統(tǒng)的銜接模擬輸入端模擬輸入端Ini ：單路輸入單路輸入多路輸入多路輸入多路輸入時多路輸入時ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809

20、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指定指定通道號通道號單路輸入時單路輸入時ADDCADDBADDAIN4ADC0809輸入輸入+5V通道地址線通道地址線ADDA-ADDC的銜接的銜接l多路輸入時，地址線不能接死，要經(jīng)過一個接口芯片與數(shù)據(jù)總線多路輸入時，地址線不能接死，要經(jīng)過一個接口芯片與數(shù)據(jù)總線銜接。接口芯片可以選用：銜接。接口芯片可以選用：簡單接口芯片簡單接口芯片74LS273，74LS373等占用一個等占用一個I/O地址地址可編程并行接口可編程并行接口8255占用四個占用四個I/O地址地址ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸輸入入DB

21、74LS273Q2Q1Q0CP來自來自I/O譯碼譯碼D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#來自來自I/O譯碼譯碼D0-D7A1A0A1A0數(shù)據(jù)輸出線數(shù)據(jù)輸出線D0-D7的銜接的銜接l可直接連到可直接連到DB上，或經(jīng)過另外一個輸入接口與上，或經(jīng)過另外一個輸入接口與DB相相連；連；l兩種方法均需占用一個兩種方法均需占用一個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經(jīng)過輸入接口連經(jīng)過輸入接口連DB74LS244+5VDIDOE1#

22、E2#ALE和START端的銜接l獨立銜接：用兩個信號分別進展控制獨立銜接：用兩個信號分別進展控制需占用兩個需占用兩個I/O端口或兩個端口或兩個I/O線；線；l一致銜接：用一個脈沖信號的上升沿進展地址鎖存，下降沿實現(xiàn)啟一致銜接：用一個脈沖信號的上升沿進展地址鎖存，下降沿實現(xiàn)啟動轉(zhuǎn)換動轉(zhuǎn)換只需占用一個只需占用一個I/O端口或一個端口或一個I/O線。線。ADC0809ALESTART獨立銜接獨立銜接來自來自I/O譯碼譯碼1來自來自I/O譯碼譯碼2ADC0809ALESTART一致銜接一致銜接來自來自I/O譯碼譯碼ADC0809與系統(tǒng)的銜接例D0IN0A 1 5 - -A0 IOR IOWD 7 - -D0D7-D0EOCOESTAR