模擬量輸入輸出與數(shù)據(jù)采集卡

1、第六章模擬量輸入輸出與數(shù)據(jù)采集卡 通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，使考生掌握D/A，A/D轉(zhuǎn)換的原理和典型芯片，在此基礎(chǔ)上了解工業(yè)控制計(jì)算機(jī)常用模板的組成和應(yīng)用。 要求： (1)了解D/A轉(zhuǎn)換的工作原理和8位，12位D/A轉(zhuǎn)換芯片；DA轉(zhuǎn)換器與總線的連接和應(yīng)用方法。 (2)了解A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理和指標(biāo)，熟悉A/D轉(zhuǎn)換的典型芯片和多路轉(zhuǎn)換器，采樣保持器的工作原理。 (3)了解數(shù)據(jù)采集卡的組成和指標(biāo)及其應(yīng)用方法，了解工控機(jī)配套模板的概況。一、重點(diǎn)提示本章重點(diǎn)是D/A，A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，與總線的連接方法。二、難點(diǎn)提示本章難點(diǎn)是利用這些芯片和多路開(kāi)關(guān)、采樣保持器組成數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用方法?？己四康模嚎己藢W(xué)生對(duì)

2、微型計(jì)算機(jī)的模擬通道的構(gòu)成及工作原理的掌握。 1數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A (1)D/A轉(zhuǎn)換的指標(biāo)和工作原理 / (2)典型D/A轉(zhuǎn)換器芯片 (3)D/A轉(zhuǎn)換器與總線的連接 2模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D (1)A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理（雙積分和逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換），A/D轉(zhuǎn)換器主要指標(biāo) (2)典型A/D轉(zhuǎn)換器芯片（ADC0809及12位A/D芯片）的功能和組成，與總線的連接 3多路開(kāi)關(guān) (1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)多路開(kāi)關(guān)的要求 (2)幾種多路開(kāi)關(guān)芯片 (3)幾種多路開(kāi)關(guān)的主要技術(shù)參數(shù) 4采樣保持器 (1)采樣保持器的工作原理 (2)常用的采樣保持器芯片 5數(shù)據(jù)采集卡的組成及其應(yīng)用 本章知識(shí)結(jié)構(gòu)如下： （一）DA轉(zhuǎn)換接口

3、 D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將二進(jìn)制的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量。D/A轉(zhuǎn)換器的主要部件是電阻開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，其主要網(wǎng)絡(luò)形式有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)。 集成D/A芯片類型很多，按生產(chǎn)工藝分有雙極型、MOS型等；按字長(zhǎng)分有8位、10位、12位等；按輸出形式分有電壓型和電流型。另外，不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，其型號(hào)各不相同。例如，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的D/A芯片為DAC系列，如DAC0832等；美國(guó)模擬器件公司的D/A芯片為AD系列，如AD558等。使用時(shí)可參閱各公司提供的使用手冊(cè)。 1DAC0832 DAC0832是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司采用CMOS工藝生產(chǎn)的8位D/A轉(zhuǎn)換集成電路芯片。它具有與微機(jī)連接簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)

4、換控制方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。 (1) DAC0832的結(jié)構(gòu)與引腳 DAC0832的邏輯結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。片內(nèi)有R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)參考電壓提供的兩條回路分別產(chǎn)生兩個(gè)電流信號(hào)IOUT1和IOUT20 DAC0832采用8位輸入寄存器和8位DAC寄存器二次緩沖方式，這樣可以在D/A輸出的同時(shí)，送入下一個(gè)數(shù)據(jù)，以便提高轉(zhuǎn)換速度。每個(gè)輸入數(shù)據(jù)為8位，可以直接與微機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，其邏輯電平與TTL電平兼容。 一一DA轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入引腳。其中為最低位，為最高位。CS片選信號(hào)輸入端，低電平有效。一輸入寄存器的寫(xiě)信號(hào)，低電平有效。ILE一一輸入寄存器選通信號(hào)，高電平有效。

5、IIE信號(hào)和共同控制選通輸入寄存器。當(dāng)均為低電平，而ILE為高電平時(shí)，輸入數(shù)據(jù)被送至8位輸入寄存器的輸出端；當(dāng)上述三個(gè)控制信號(hào)任一個(gè)無(wú)效時(shí)，變高，輸入寄存器將數(shù)據(jù)鎖存，輸出端呈保持狀態(tài)。從輸入寄存器向DAC寄存器傳送D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的控制信號(hào)，低電平有效。DAC寄存器的寫(xiě)信號(hào)，低電平有效。當(dāng)和同時(shí)有效時(shí)，輸入寄存器的數(shù)據(jù)裝入DAC寄存器，并同時(shí)啟動(dòng)一次D/A轉(zhuǎn)換。芯片電源，其值可在+5+15 V之間選取，典型值取+15 V。AGND-模擬信號(hào)地。DGND數(shù)字信號(hào)地。一一內(nèi)部反饋電阻引腳，用來(lái)外接D/A轉(zhuǎn)換器輸出增益調(diào)整電位器。D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓，其范圍可在-lO+10 V內(nèi)選定。該端連至片內(nèi)

6、的R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)，由外部提供一個(gè)準(zhǔn)確的參考電壓。該電壓精度直接影響著D/A轉(zhuǎn)換精度。D/A轉(zhuǎn)換器輸出電流1，當(dāng)輸入全l時(shí)，輸出電流最大，約為I當(dāng)輸入為全O時(shí)，輸出電流最小，即為O。DA轉(zhuǎn)換器輸出電流2，它與有如下關(guān)系：=常數(shù) D/A轉(zhuǎn)換沒(méi)有形式上的啟動(dòng)信號(hào)。實(shí)際上將數(shù)據(jù)寫(xiě)入第二級(jí)寄存器的控制信號(hào)就是D/A轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)信號(hào)。另外，它也沒(méi)有轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，D/A過(guò)程很快，一般還不到一條指令的執(zhí)行時(shí)間。 (2)DAC0832的工作方式 DAC0832內(nèi)部有兩個(gè)寄存器，能實(shí)現(xiàn)三種工作方式：雙緩沖、單緩沖和直通方式。 雙緩沖工作方式是指兩個(gè)寄存器分別受到控制。當(dāng)ILE、CS和WR1信號(hào)均有效時(shí)，8位

7、數(shù)字量被寫(xiě)入輸入寄存器，此時(shí)并不進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)WR2和XFER信號(hào)均有效時(shí)，原來(lái)存放在輸入寄存器中的數(shù)據(jù)被寫(xiě)入DAC寄存器，并進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。在一次轉(zhuǎn)換完成后到下一次轉(zhuǎn)換開(kāi)始之前，由于寄存器的鎖存作用，8位D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)保持恒定，因此D/A轉(zhuǎn)換的輸出也保持恒定。 單緩沖工作方式是指只有一個(gè)寄存器受到控制。這時(shí)將另一個(gè)寄存器的有關(guān)控制信號(hào)預(yù)先設(shè)置成有效，使之開(kāi)通，或者將兩個(gè)寄存器的控制信號(hào)連在一起，兩個(gè)寄存器作為一個(gè)來(lái)使用。直通工作方式是指兩個(gè)寄存器的有關(guān)控制信號(hào)都預(yù)先置為有效，兩個(gè)寄存器都開(kāi)通。只要數(shù)字量送到數(shù)據(jù)輸入端，就立即迸入D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種方式應(yīng)用較

8、少。(3)電壓輸出電路的連接：DAC0832以電流形式輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，若要得到電壓形式的輸出；需要外加I/V轉(zhuǎn)換電路，常采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換。 對(duì)于單極性輸出電路，輸出電壓為：式中D為輸入數(shù)字量的十進(jìn)制數(shù)。因?yàn)檗D(zhuǎn)換結(jié)果接運(yùn)算放大器的反向端，所以式中有一個(gè)負(fù)號(hào)。若,當(dāng) D- 0 255 (00HFFH)時(shí),。 通過(guò)調(diào)整運(yùn)算放大器的調(diào)零電位器，可以對(duì)D/A芯片進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償。通過(guò)調(diào)節(jié)外接于反饋回路的電位器RP1，可以調(diào)整滿量程。 對(duì)于雙極性輸出電路，輸出電壓的表達(dá)式為：若，當(dāng)D=O時(shí)，；當(dāng)D=128(80H)時(shí)，；當(dāng)D=255(FFH)時(shí)，4.96 V。2D/A轉(zhuǎn)換芯片與微處理器的接口 計(jì)算機(jī)

9、是通過(guò)輸出指令將要轉(zhuǎn)換的數(shù)字送到D/A轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的，但由于輸出指令送出的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上持續(xù)的時(shí)間很短，因而需要數(shù)據(jù)鎖存器來(lái)鎖存CPU送來(lái)的數(shù)據(jù)，以便完成D/A轉(zhuǎn)換。目前生產(chǎn)的DAC芯片有的片內(nèi)帶有鎖存器（如本節(jié)介紹的DAC0832），而有的則沒(méi)有。在實(shí)際中若選用了內(nèi)部不帶鎖存器的D/A轉(zhuǎn)換芯片，就需要在CPU和D/A芯片之間增加鎖存電路。 （二）A/D轉(zhuǎn)換接口 A/D轉(zhuǎn)換器是模擬信號(hào)源與計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字系統(tǒng)之間聯(lián)系的橋梁，它的任務(wù)是將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便計(jì)算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理。在工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集及許多其他領(lǐng)域中，A/D轉(zhuǎn)換器是不可缺少的重要組成部分。 由于

10、應(yīng)用特點(diǎn)和要求的不同，需要采用不同工作原理的A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器的主要類型有：逐位比較（逐位逼近）型、積分型、計(jì)數(shù)型、并行比較型、電壓-頻率型（即V/F型）等。 在選用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，主要應(yīng)根據(jù)使用場(chǎng)合的具體要求，按照轉(zhuǎn)換速度、精度、功能以及接口條件等因素決定選擇何種型號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換芯片。 1ADC0809 ADC0809是逐位逼近型8通道、8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，CMOS工藝制造，雙列直插式28引腳封裝。給出了ADC0809芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及引腳圖（圖中給出的數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)的引腳號(hào)）。ADC0809片內(nèi)有8路模擬開(kāi)關(guān)，可輸入8個(gè)模擬量，單極性輸入，量程為o+5V。典型的轉(zhuǎn)換速度為lOOms。

11、片內(nèi)帶有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與CPU總線接口。其性能價(jià)格比有明顯的優(yōu)勢(shì)，是目前廣泛采用的芯片之一，可應(yīng)用于對(duì)精度和采樣速度要求不高的數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合或一般的工業(yè)控制領(lǐng)域。 (1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)換原理 如下圖所示，ADC0809內(nèi)部由三部分組成：8路模擬量選通輸入部分，8位A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。 ADC20809允許連接8路模擬信號(hào)(IN7IN0)，由8路模擬開(kāi)關(guān)選通其中一路信號(hào)輸入并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，模擬開(kāi)關(guān)受通道地址鎖存和譯碼電路的控制。當(dāng)?shù)刂锋i存信號(hào)ALE有效時(shí)，3位地址ADDC、ADDB和ADDA(通常與地址總線和引腳相連）進(jìn)入地址鎖存器，經(jīng)譯碼后使8路模擬開(kāi)關(guān)選通某一路模擬信號(hào)。

12、輸入的地址信息與所選通的模擬通道之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。如當(dāng)ADDC、ADDB、ADDA=000時(shí)，選通；ADDC、AD-DB、ADDA一001時(shí)，IN0選通；ADDC、ADDB、ADDA= 111時(shí)，選通。 8位A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式，由256R電阻分壓器、樹(shù)狀模擬開(kāi)關(guān)（這兩部分組成一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器）、電壓比較器、逐次逼近寄存器SAR、邏輯控制和定時(shí)電路組成。其工作原理是采用對(duì)分搜索方法逐次比較，找出最逼近于輸入模擬量的數(shù)字量。電阻分壓器需外接正負(fù)基準(zhǔn)電源。CLOCK端外接時(shí)鐘信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)由START信號(hào)控制。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)控制電路將數(shù)字量送人三態(tài)輸出鎖存器鎖存，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)

13、EOC。 三態(tài)輸出鎖存器用來(lái)保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)輸出允許信號(hào)OE有效時(shí)，將打開(kāi)三態(tài)門(mén)，使轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。(2)引腳定義8路模擬量輸入端。ADDC、ADDB和ADDA地址輸入端，以選通的8路中的某一路信號(hào)。 AIE地址鎖存允許信號(hào)，有效時(shí)將ADDC、ADDB和ADDA鎖存。 CLOCK外部時(shí)鐘輸入端。允許范圍為101280kHz。時(shí)鐘頻率越低，轉(zhuǎn)換速度就越慢。STARTA/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。有效信號(hào)為一正脈沖，若在脈沖的上升沿，A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部寄存器均被清零，在其下降沿開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換。 EOCA/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。在START信號(hào)上升沿之后不久，EOC變?yōu)榈碗娖?。?dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC立即

14、輸出一正階躍信號(hào)，可用來(lái)作為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的查詢信號(hào)或中斷請(qǐng)求信號(hào)。OE-輸出允許信號(hào)。當(dāng)OE輸入高電平信號(hào)時(shí)，三態(tài)輸出鎖存器將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)量輸出端。數(shù)字量輸出端。為最低有效位(LSB)，為最高有效位(MSB)。與GND-電源電壓輸入端及地線。正負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入端。中心值為()2（應(yīng)接近于)，其偏差不應(yīng)該超過(guò)+0.1V。正負(fù)基準(zhǔn)電壓的典型值分別為+5V和OV。ADC0809的數(shù)字量輸出值D（十進(jìn)制數(shù)）與模擬量輸入值VIN之間的關(guān)系如下：通常，所以當(dāng)，輸入的單極性模擬量從OV到4.98V變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)字量在O到255 (00H-FFH)之間變化。一、單項(xiàng)選擇題1下列哪一項(xiàng)不屬于D

15、/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo) ( ) A分辨率 B穩(wěn)定時(shí)間 C輸出電平 D引腳數(shù)量 答案D 【解析】D/A轉(zhuǎn)換器韻技術(shù)指標(biāo)：分辨率、穩(wěn)定時(shí)間、輸出電平、絕對(duì)精度、相對(duì)精度、線性誤差、溫度系數(shù)。2下列不是DAC0832內(nèi)部組成的選項(xiàng)是 ( ) A.2個(gè)數(shù)據(jù)緩沖寄存器 B8位輸入寄存器 C256BRAM D8位DAC寄存器 答案C， 【解析】。典型D/A轉(zhuǎn)換芯片的組成： (1)DAC0832.有2個(gè)數(shù)據(jù)緩沖寄存器、8位輸入寄存器和8位DAC寄存器。 (2)DAC1210.有8位D/A轉(zhuǎn)換器、12位輸入寄存器和12位DAC寄存器。 典型A/D轉(zhuǎn)換芯片的型號(hào)，功能和組成： (1) ADC0809 功能：將連續(xù)

16、變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，可應(yīng)用于對(duì)精度和采樣速度要求不高的場(chǎng)合，或一般的工業(yè)控制領(lǐng)域。 組成：模擬輸入部分（有8路單端輸入的多路開(kāi)關(guān)和地址鎖存與譯碼邏輯）、變換器部分（控制邏輯、逐位逼近寄存器SAR、比較器、電阻網(wǎng)絡(luò)）、三態(tài)輸出緩，沖器、基準(zhǔn)電壓輸入端REF(+)和REF(-)。 (2)AD574A 功能：是12位逐次逼近式的ADC，將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，適用于對(duì)精度和速度要求較高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。 組成：數(shù)據(jù)輸出寄存器、三態(tài)輸出的控制邏輯、逐次逼近寄存器、時(shí)鐘電路、D/A轉(zhuǎn)換器。3下列哪項(xiàng)是實(shí)現(xiàn)十六選一的多路轉(zhuǎn)換器 ( ) AAD7501 BAD7506 CA

17、D7502 DCD4051B 答案B 【解析】典型多路轉(zhuǎn)換器的型號(hào)和功能： (1)AD750l和AD7503：選擇8個(gè)通道中的一路。 (2)AD7502實(shí)現(xiàn)雙四選一，選擇8路輸人中的2個(gè)通道。 (3)AD7506實(shí)現(xiàn)十六選一。 (4)CD4051B雙向模擬多路開(kāi)關(guān)，既可以用于“多到一”也可用于“一到多”的切換。4下列哪項(xiàng)不是高速采樣保持器芯片 ( ) ALF198 BHTS0025 C. HTS0060 D.HTS-0300 答案A 【解析】典型采樣保持器的型號(hào)和功能： 功能：在A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間保持采樣輸入信號(hào)大小不變。 (1)通用型芯片：LFI98、LF398、AD582K、AD583K。

18、 (2)高速芯片：HTS一0025、HTS一0060、HTS一0300。(3)高分辨率芯片.SHAll44。二、填空題1D/A轉(zhuǎn)換的用途是_ ；A/D轉(zhuǎn)換的用途是_。 答案 將計(jì)算機(jī)中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) 【解析】(1)D/A轉(zhuǎn)換用途：將計(jì)算機(jī)中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，一般為電壓或者電流信號(hào)。 (2)A/D轉(zhuǎn)換用途：將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便計(jì)算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、控制和顯示。 A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)：分辨率、精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、電源靈敏度、量程、輸出邏輯電平、工作溫度范圍。2DAC0832有三種工作方式，分別是_、_、_。 答案雙緩沖工作方式

19、單緩沖工作方式直通工作方式 【解析】雙緩沖工作方式可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換可異步進(jìn)行； 單緩沖工作方式是使兩個(gè)寄存器中任一個(gè)處于直通狀態(tài)，另一個(gè)工作于受控鎖存器狀態(tài)； 直通工作方式中數(shù)字信號(hào)一旦到達(dá)它的數(shù)據(jù)總線之后，立即進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換進(jìn)而輸出，所以一般情況下很少采用這種方式連接。三、綜合應(yīng)用題1將內(nèi)存緩沖區(qū)BUFFER中1000個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)送D/A 答案 SUB1： MOV CX，1000 MOV BX，OFFSET BUFFER MOV DXPORTA LOOP1： MOV AL，BX OUT DXAL CALL DELAYlms INC BX LOOP LOOP1 RET DELAYlm

20、s： MOV CX，0EFFH LOP: NOP LOOP LOP RET 【解析】D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)送來(lái)的數(shù)據(jù)可以輸出相應(yīng)的波形，而且余弦波和正弦波就是通過(guò)這種形式輸出的。2利用DAC0832編程實(shí)現(xiàn)三角波發(fā)生器。SUB3. MOV DX,PORTA MOV AL,00HLOPl OUT DX,AL CALL DELAY INC AL CMP AL,0FFH JE LOP2 JMP LOP1LOP2: OUT DX,AL CALL DELAY DEC AL CMP AL,OOH JE LOP1 JMP LOP2 RET 【解析】利用0832編程產(chǎn)生三角波的規(guī)律是：首先從一個(gè)最小的數(shù)開(kāi)始連續(xù)加1

21、輸出，到了最大數(shù)之后再減1連續(xù)輸出，到了最小之后再重復(fù)前一個(gè)過(guò)程，這樣連續(xù)循環(huán)即可，如果每個(gè)數(shù)的輸出時(shí)間很長(zhǎng)，就可以變成了一個(gè)鋸齒波形輸出了。 3設(shè)計(jì)一個(gè)能用中斷方式巡回取樣8路模擬輸入，采集100組數(shù)據(jù)后停的系統(tǒng)，畫(huà)出硬件和相應(yīng)的軟件部分流程圖和源程序。 答案(1)電路圖如下：(2)軟件流程圖如下：(3)軟件源程序如下：主程序部分： STACK SEGMENT STACK STA DB 20 DUP(?)TOP LABEL WORD STACK ENDS DATA SEGMENTBUFFER DB 800 DUP(?)DATA ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS. CODE, DS