微機(jī)原理2綜述

1、第第8章章 模擬量的輸入輸出模擬量的輸入輸出本章內(nèi)容本章內(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)換器轉(zhuǎn)換器原理、連接及編程原理、連接及編程A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器原理、連接及編程原理、連接及編程 模擬量模擬量I/O接口的作用：接口的作用：實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境連續(xù)變化的模擬量連續(xù)變化的模擬量 例如：電壓、電流、壓力、溫度、位移、流量例如：電壓、電流、壓力、溫度、位移、流量 計(jì)算機(jī)內(nèi)部計(jì)算機(jī)內(nèi)部離散的數(shù)字量離散的數(shù)字量二進(jìn)制數(shù)、十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)、十進(jìn)制數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制工業(yè)生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制 概述概述 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

2、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(過程控制過程控制)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 8.1 模擬量模擬量I/O通道的組成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信號處理處理信號信號變換變換I/O接口接口輸入通道輸入通道輸出通道輸出通道模擬量輸入通道模擬量輸入通道傳感器（

3、傳感器（Transducer）非電量非電量電壓、電流電壓、電流 變送器（變送器（Transformer）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號信號處理（信號處理（Signal Processing）放大、整形、濾波放大、整形、濾波 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（Multiplexer） 多選一多選一采樣保持電路（采樣保持電路（Sample Holder，S/H）保證變換時(shí)信號恒定不變保證變換時(shí)信號恒定不變A/D變換器（變換器（A/D Converter）模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 模擬量輸出通道模擬量輸出通道D/A變換器（變換器（D/A Converter）數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換為

4、模擬量低通濾波低通濾波平滑輸出波形平滑輸出波形放大驅(qū)動(dòng)放大驅(qū)動(dòng)提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓，電流提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓，電流8.2 數(shù)數(shù)/模（模（D/A）變換器）變換器 8.2.1 D/A變換器的基本原理及技術(shù)指標(biāo)變換器的基本原理及技術(shù)指標(biāo)D/A變換器的基本工作原理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)、兩種電阻網(wǎng)絡(luò)：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、R-2R梯形梯形電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖：基本結(jié)構(gòu)如圖：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D/A變換原理變換原理 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)，

5、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：fOinRV = -VR式中：式中：Rf 為反饋電阻為反饋電阻 R 為輸入電阻為輸入電阻 VinRf VOR 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 =-RVRVinRf VOR1式中：式中：Ri 為第為第i支路的輸支路的輸 入電阻入電阻Rn令每個(gè)支路的輸入電阻為令每個(gè)支路的輸入電阻為2iRf , 并令并令Vin為一為一基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓Vref，則有，則有如果每個(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，S

6、i=0表示表示Si斷開，則上式變換為斷開，則上式變換為 nn0frefrefiii=1i=1f11V = -RV= -V2 R2n0irefii=11V = -SV2若若Si=1,該項(xiàng)對該項(xiàng)對VO有貢獻(xiàn)有貢獻(xiàn)若若Si=0,該項(xiàng)對該項(xiàng)對VO無貢獻(xiàn)無貢獻(xiàn)2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8與上式相對應(yīng)的電路如下與上式相對應(yīng)的電路如下(圖中圖中n=8)： 圖中的電阻網(wǎng)絡(luò)就稱為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)圖中的電阻網(wǎng)絡(luò)就稱為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)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S1S8(Di=1時(shí)時(shí)Si閉合；閉合；Di=0時(shí)時(shí)Si斷開斷開)，

7、那么根，那么根據(jù)二進(jìn)制代碼的不同，輸出電壓據(jù)二進(jìn)制代碼的不同，輸出電壓VO也不同，也不同，這就構(gòu)成了這就構(gòu)成了8位的位的D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。可以看出，當(dāng)代碼在可以看出，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。為控制電阻網(wǎng)絡(luò)各支路電阻值的精度，實(shí)際為控制電阻網(wǎng)絡(luò)各支路電阻值的精度，實(shí)際的的D/A轉(zhuǎn)換器采用轉(zhuǎn)換器采用R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)梯形電阻網(wǎng)絡(luò)(見下見下頁頁)，它只用兩種阻值的電阻，它只用兩種阻值的電阻(R和和2R)。R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)梯形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A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)分辨率分辨率（Resolut

8、ion）n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。n一般用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示: 如8位、10位例：一個(gè)滿量程為例：一個(gè)滿量程為5V的的10位位DAC，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=48.88mV轉(zhuǎn)換精度（誤差）轉(zhuǎn)換精度（誤差）n實(shí)際輸出值與理論值之間的最大偏差。n一般用最小量化階來度量，如1/2 LSB 也可用滿量程的百分比來度量，如0.05% FSR(LSB-Least Significant Bit, FSR-Full Scale Range) 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間從開始轉(zhuǎn)換到與滿量程值相差

9、1/2 LSB所對應(yīng)的模擬量所需要的時(shí)間tV1/2 LSBtCVFULL8.2.2 典型典型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DAC0832特性：8位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器T型電阻網(wǎng)絡(luò)差動(dòng)輸出引線圖見教材p351 DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳功能引腳功能D7D0：輸入數(shù)據(jù)線ILE：輸入鎖存允許CS#：片選信號WR1#：寫輸入鎖存器 上述三個(gè)信號用于把數(shù)據(jù)寫入到輸入鎖存器上述三個(gè)信號用于把數(shù)據(jù)寫入到輸入鎖存器WR2#：寫DAC寄存器XFER#：允許輸入鎖存器的數(shù)據(jù)傳送到DAC寄存器 上述二個(gè)信號用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)換上述二個(gè)信號用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)換VREF：參考電壓，-10V+10V，一般為+5V或+10VIOUT1、IO

10、UT2：D/A轉(zhuǎn)換差動(dòng)電流輸出，接運(yùn)放的輸入Rfb：內(nèi)部反饋電阻引腳，接運(yùn)放輸出AGND、DGND：模擬地和數(shù)字地 工作時(shí)序工作時(shí)序D/A轉(zhuǎn)換可分為兩個(gè)階段：轉(zhuǎn)換可分為兩個(gè)階段：CS#=0、WR1#=0、ILE=1，使輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器；，使輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器；WR2#=0、XFER#=0，數(shù)據(jù)傳送到，數(shù)據(jù)傳送到DAC寄存器，并開始轉(zhuǎn)換。寄存器，并開始轉(zhuǎn)換。寫輸入寫輸入寄存器寄存器寫寫DAC寄存器寄存器工作方式工作方式單緩沖方式單緩沖方式使輸入鎖存器或使輸入鎖存器或DAC寄存器二者之一處于直通寄存器二者之一處于直通。CPU只需一次寫入即開始轉(zhuǎn)換?？刂票容^簡單。見教材p352圖。雙緩

11、沖方式（標(biāo)準(zhǔn)方式）雙緩沖方式（標(biāo)準(zhǔn)方式）轉(zhuǎn)換要有兩個(gè)步驟：將數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器CS#=0、WR1#=0、ILE=1將輸入寄存器的內(nèi)容寫入DAC寄存器WR2#=0、XFER#=0 優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)接收與D/A轉(zhuǎn)換可異步進(jìn)行； 可實(shí)現(xiàn)多個(gè)DAC同步轉(zhuǎn)換輸出分時(shí)寫入、同步轉(zhuǎn)換直通方式直通方式使內(nèi)部的兩個(gè)寄存器都處于直通狀態(tài)。模擬輸出始終跟隨輸入變化。不能直接與數(shù)據(jù)總線連接不能直接與數(shù)據(jù)總線連接，需外加并行接口(如74LS373、8255等)。雙緩沖方式雙緩沖方式同步轉(zhuǎn)換舉例同步轉(zhuǎn)換舉例A10-A0譯碼器譯碼器0832-10832-2port1port2port3雙緩沖方式的程序段示例雙緩沖方式的程序段示例

12、本例中三個(gè)端口地址的用途：port1 選擇選擇0832-1的輸入寄存器的輸入寄存器 port2 選擇選擇0832-2的輸入寄存器的輸入寄存器 port3 選擇選擇0832-1和和0832-2的的DAC寄存器寄存器MOV AL，data ; 要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送ALMOV DX，port1 ; 0832-1的輸入寄存器地址送DXOUT DX，AL ; 數(shù)據(jù)送0832-1的輸入寄存器MOV DX，port2 ; 0832-2輸入寄存器地址送DXOUT DX，AL ; 數(shù)據(jù)送0832-2的輸入寄存器MOV DX，port3 ; DAC寄存器端口地址送DXOUT DX，AL ; 數(shù)據(jù)送DAC寄存器，并啟動(dòng)同

13、步轉(zhuǎn)換HLTD/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器只要往只要往D/A轉(zhuǎn)換器寫入按規(guī)律轉(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、梯形波等函角波、鋸齒波、方波、階梯波、梯形波等函數(shù)波形。數(shù)波形。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。 例子參見p354p356。8.3 模模/數(shù)（數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換器用途用途將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。類型類型計(jì)數(shù)型A/D變換器雙積分型A/D變換器逐位反饋型逐位反饋型A/D變換器變換器 8.3.1 工作原理及技術(shù)指標(biāo)工作原

14、理及技術(shù)指標(biāo)逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)：由D/A轉(zhuǎn)換器、比較器和逐次逼近寄存器SAR組成。見P238頁圖。工作原理工作原理 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體。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體。 例如：例如：用8個(gè)砝碼20g，21g，27g，可以稱出1255g之 間的物體。現(xiàn)有一物體，用砝碼稱出其重量（假定重量為176g）。1）ADC從高到低從高到低逐次給SAR的每一位“置1”（即加上不同權(quán)重的砝碼），SAR相當(dāng)于放法碼的稱盤；2）每次SAR中的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為電壓VC ；3）VC與輸入電壓Vi比較，若VCVi，保持當(dāng)前位

15、的1，否則當(dāng)前位置0；4）從高到低逐次比較下去，直到SAR的每一位都嘗試完；5）SAR內(nèi)的數(shù)據(jù)就是與Vi相對應(yīng)的2進(jìn)制數(shù)。主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)精度精度 量化間隔量化間隔(分辨率分辨率) = Vmax/電平數(shù)電平數(shù)(即滿量程值即滿量程值) 例：某例：某8位位ADC的滿量程電壓為的滿量程電壓為5V，則其分辨率為，則其分辨率為 5V/255=19.6mV 量化誤差量化誤差: 用數(shù)字（離散）量表示連續(xù)量時(shí)，由于數(shù)字量用數(shù)字（離散）量表示連續(xù)量時(shí)，由于數(shù)字量字長有限字長有限而無法精確地表示連續(xù)量所造成的誤差。而無法精確地表示連續(xù)量所造成的誤差。(字字長越長，精度越高長越長，精度越高)絕對量化誤差絕對

16、量化誤差 = 量化間隔量化間隔/2 = (滿量程電壓滿量程電壓/(2n-1)/2相對量化誤差相對量化誤差 = 1/2 * 1/量化電平數(shù)目量化電平數(shù)目 * 100%例：滿量程電壓例：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 絕對量化誤差絕對量化誤差 10/211 = 4.88mV 相對量化誤差相對量化誤差 1/211 *100% = 0.049%主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換一次需要的時(shí)間。精度越高（字長越長），轉(zhuǎn)換一次需要的時(shí)間。精度越高（字長越長），轉(zhuǎn)換速度越慢。轉(zhuǎn)換速度越慢。輸入動(dòng)態(tài)范圍輸入動(dòng)態(tài)范圍允許轉(zhuǎn)換的電壓的范圍。如允許轉(zhuǎn)換的電壓的

17、范圍。如05V、010V等。等。典型的典型的A/D轉(zhuǎn)換器簡介轉(zhuǎn)換器簡介ADC08098通道（8路）輸入8位字長 逐位逼近型轉(zhuǎn)換時(shí)間100s 內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器外部引腳見教材p359引腳功能引腳功能 D7D0：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）IN0IN7：8通道（路）模擬輸入通道（路）模擬輸入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道選擇）：通道地址（通道選擇）ALE：通道地址鎖存：通道地址鎖存START：啟動(dòng)轉(zhuǎn)換：啟動(dòng)轉(zhuǎn)換EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束，可用于查詢或作為中斷申請：轉(zhuǎn)換結(jié)束，可用于查詢或作為中斷申請OE：輸出允許（打開輸出三態(tài)門）：輸出允許（打開輸出三態(tài)門）CLK：時(shí)鐘輸入（：時(shí)鐘輸入

18、（10KHz1.2MHz）VREF(+)、VREF(-)：基準(zhǔn)參考電壓：基準(zhǔn)參考電壓ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)START EOC CLK OED7D0VREF(+) 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工作時(shí)序工作時(shí)序 ADC0809的工作過程的工作過程根據(jù)時(shí)序圖，根據(jù)時(shí)序圖，ADC0809的工作過程如下：的工作過程如下：把通道地址送到ADDAADDC上

19、上，選擇模擬輸入； 在通道地址信號有效期間，ALE上的上升沿上升沿該地址鎖存到內(nèi)部地址鎖存器；START引腳上的下降沿下降沿啟動(dòng)A/D變換； 變換開始后，EOC引腳呈現(xiàn)低電平， EOC重新變?yōu)楦唠娖綍r(shí)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束；OE信號打開輸出鎖存器的三態(tài)門送出結(jié)果 。ADC0809與系統(tǒng)的連接與系統(tǒng)的連接 模擬輸入端模擬輸入端INi單路輸入單路輸入模擬信號可固定連接到任何一個(gè)輸入端模擬信號可固定連接到任何一個(gè)輸入端地址線根據(jù)輸入線編號固定連接地址線根據(jù)輸入線編號固定連接(高電平或低電平高電平或低電平)多路輸入多路輸入模擬信號按順序分別連接到輸入端模擬信號按順序分別連接到輸入端要轉(zhuǎn)換哪一路輸入，就將其編號送

20、到地址線上要轉(zhuǎn)換哪一路輸入，就將其編號送到地址線上(動(dòng)態(tài)選擇動(dòng)態(tài)選擇)單路輸入時(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指定指定通道號通道號+5V地址線地址線ADDA-ADDC多路輸入時(shí)，地址線不能接死，而是要通過一個(gè)接口芯片多路輸入時(shí)，地址線不能接死，而是要通過一個(gè)接口芯片與數(shù)據(jù)總線連接。接口芯片可以選用：與數(shù)據(jù)總線連接。接口芯片可以選用：鎖存器鎖存器74LS273，74LS373等（要占用一個(gè)等（要占用一個(gè)I/O地址）地址）可

21、編程并行接口可編程并行接口8255（要占用四個(gè)（要占用四個(gè)I/O地址）地址）CPU用一條用一條OUT指令把通道地址通過接口芯片送給指令把通道地址通過接口芯片送給0809ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809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-D7A1A0A1A0 數(shù)據(jù)輸出線數(shù)據(jù)輸出線D0D7內(nèi)部已接有三態(tài)門，故可直接連到內(nèi)部已接有三態(tài)門，故可直接連到DB上上也可另外通過一個(gè)輸入接口與也可另外通過一

22、個(gè)輸入接口與DB相連相連上述兩種方法均需占用一個(gè)上述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#地址鎖存地址鎖存ALE和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換START兩種連接方法：兩種連接方法：獨(dú)立連接：用兩個(gè)信號分別進(jìn)行控制獨(dú)立連接：用兩個(gè)信號分別進(jìn)行控制需占用兩個(gè)需占用兩個(gè)I/O端口或端口或兩個(gè)兩個(gè)I/O線線(用用8255時(shí)時(shí))；統(tǒng)一連接：用一個(gè)脈沖信號的上升沿進(jìn)行地址鎖存，下降沿實(shí)統(tǒng)一連接：用一個(gè)脈沖信號的上升沿進(jìn)行地址鎖存，下降沿實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換現(xiàn)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換只需占用一個(gè)只需占用一個(gè)I/O端口或一個(gè)端口或一個(gè)I/O線線(用用8255時(shí)時(shí))，參見教材，參見教材p362圖。圖。 ADC0809ALESTART獨(dú)立連接獨(dú)立連接來自來自I/O譯碼譯碼1來自來自I/O譯碼譯碼2ADC0809ALESTART統(tǒng)一連接統(tǒng)一連接來自來自