第八章模擬輸入輸出接口

1、1第8章 模擬量輸入輸出接口2主要內(nèi)容：n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nA/D轉(zhuǎn)換器的工作原理、連接及編程3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8.1 8.1 模擬量的輸入輸出通道4模擬量的輸入通道n傳感

2、器（傳感器（Transducer）n非電量非電量電壓、電流電壓、電流 n變送器（變送器（Transformer）n轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)n信號(hào)處理（信號(hào)處理（Signal Processing）n放大、整形、濾波放大、整形、濾波n多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（Multiplexer）n多選一多選一n采樣保持電路（采樣保持電路（Sample Holder，S/H）n保證變換時(shí)信號(hào)恒定不變保證變換時(shí)信號(hào)恒定不變nA/D變換器（變換器（A/D Converter）n模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量5模擬量的輸出通道nD/A變換器（變換器（D/A Converter）n數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬

3、量數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量n低通濾波低通濾波n平滑輸出波形平滑輸出波形n放大驅(qū)動(dòng)放大驅(qū)動(dòng)n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6模擬量輸入輸出應(yīng)用案例n水泥廠增濕塔出口溫度控制系統(tǒng)水泥廠增濕塔出口溫度控制系統(tǒng)7掌握：nD/AD/A變換器的工作原理變換器的工作原理nD/AD/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)nDAC0832DAC0832的三種工作模式的三種工作模式nDAC0832DAC0832的應(yīng)用的應(yīng)用8.2 8.2 數(shù)數(shù)/ /模（模（D/AD/A）變換器）變換器88.2.1 D/AD/A變換器的工作原理n組成：組成：n模擬開關(guān)模擬開關(guān)n電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)n運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器V

4、refRf 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9基本變換原理n當(dāng)運(yùn)放的放大倍數(shù)足夠大時(shí)，輸出電壓當(dāng)運(yùn)放的放大倍數(shù)足夠大時(shí)，輸出電壓VO與輸與輸入電壓入電壓Vin的關(guān)系為：的關(guān)系為：VinRf VOR 10n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：VinRf VOR1Rnn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為一基準(zhǔn)為一基準(zhǔn)電壓電壓Vref，則有，則有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合合上，上，Si=0表示表示Si斷開，則上式變換為

5、斷開，則上式變換為 nn0frefrefiii=1i=1f11V = -RV= -V2 R2n0irefii=11V = -SV2若Si=1,該項(xiàng)對(duì)VO有貢獻(xiàn)若Si=0,該項(xiàng)對(duì)VO無貢獻(xiàn)12n=8的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)13n如果用如果用8 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S S1 1S S8 8(D(Di i=1=1時(shí)時(shí)S Si i閉合；閉合；D Di i=0=0時(shí)時(shí)S Si i斷開斷開) )，則不同的二進(jìn)制代碼，則不同的二進(jìn)制代碼就對(duì)應(yīng)不同輸出電壓就對(duì)應(yīng)不同輸出電壓V VO O；

6、n當(dāng)代碼在當(dāng)代碼在0 0FFHFFH之間變化時(shí)，之間變化時(shí)，V VO O相應(yīng)地在相應(yīng)地在 0 0(255/256)V(255/256)Vrefref之間變化；之間變化；n為控制電阻網(wǎng)絡(luò)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/AD/A轉(zhuǎn)換器采用轉(zhuǎn)換器采用R-2RR-2R T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)，它只用兩種，它只用兩種阻值的電阻阻值的電阻(R(R和和2R)2R)。T形電阻網(wǎng)絡(luò)倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)178.2.2 主要技術(shù)指標(biāo)n分辨率（分辨率（Resolution）n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)使輸出使輸出變化的程度。變化的程度。

7、LSB: Least Significant Bit( LSB: Least Significant Bit(最低有效位最低有效位) ) MSB MSB：Most Significant Bit (Most Significant Bit (最高有效位最高有效位) ) FSR: Full Scale Range FSR: Full Scale Range ( (滿量程滿量程) )n分辨率表示方法：分辨率表示方法：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；位等；n也可用一個(gè)也可用一個(gè)LSB （Least Significant BitLeast Signi

8、ficant Bit）使輸出變使輸出變化的程度來表示?；某潭葋肀硎尽?8分辯率例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的的變化所引起輸出模擬量的變化為：變化所引起輸出模擬量的變化為： 5/(210-1) = 5/1023 = 0.04888V = 48.88mV19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影響轉(zhuǎn)換精度的因素：影響轉(zhuǎn)換精度的因素： 分辯率分辯率 電源波動(dòng)電源波動(dòng) 溫度變化溫度變化 20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 LSB1/2 LSB所對(duì)所對(duì)應(yīng)的模擬量所需要的時(shí)

9、間應(yīng)的模擬量所需要的時(shí)間tV1/2 LSBtCVFULL218.2.3 典型D/AD/A轉(zhuǎn)換器DAC0832DAC0832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22主要引腳功能輸入寄存器控制信號(hào)：輸入寄存器控制信號(hào)：nD D7 7D D0 0：輸入數(shù)據(jù)線：輸入數(shù)據(jù)線nILEILE：輸入鎖存允許：輸入鎖存允許nCSCS：片選信號(hào)：片選信號(hào)nWRWR1 1：寫輸入鎖存器：寫輸入鎖存器23DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu) D0D0D7D7：8 8位數(shù)據(jù)總線，完成數(shù)字量位數(shù)據(jù)總線，完成數(shù)字量D D輸入。輸入。 CSCS：片選信號(hào)（輸入），低電平有效。

10、片選信號(hào)（輸入），低電平有效。 I Iout1out1和和Iout2Iout2：電流輸出電流輸出“1”1”和電流輸出和電流輸出“2”2”。當(dāng)數(shù)據(jù)為全。當(dāng)數(shù)據(jù)為全“1”1”時(shí)，時(shí)，Iout1Iout1輸出電流最大；為全輸出電流最大；為全“0”0”時(shí)輸出電流最小時(shí)輸出電流最小。I Iout1out1 +I +Iout2out2= =常數(shù)常數(shù)。主要引腳功能 ILEILE：數(shù)據(jù)鎖存允許信號(hào)（輸入），高電平有效。：數(shù)據(jù)鎖存允許信號(hào)（輸入），高電平有效。 WR1WR1、WR2WR2：WR1WR1是第是第1 1寫輸入信號(hào)，寫輸入信號(hào)，WR2WR2是第是第2 2寫輸入信號(hào)，均寫輸入信號(hào)，均是低電平有效。是低電

11、平有效。WR1WR1與與ILEILE信號(hào)共同控制信號(hào)共同控制輸入寄存器輸入寄存器；WR2WR2與與XFERXFER信號(hào)合在一起控制信號(hào)合在一起控制DACDAC寄存器寄存器。 XFERXFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)( (輸入輸入),),低電平有效低電平有效 。 RfbRfb：內(nèi)部集成反饋電阻（內(nèi)部集成反饋電阻（15K15K），），DAC0832DAC0832是電流輸出型是電流輸出型D/AD/A轉(zhuǎn)換器，為得到電壓的轉(zhuǎn)換輸出，使用時(shí)需在兩個(gè)電流轉(zhuǎn)換器，為得到電壓的轉(zhuǎn)換輸出，使用時(shí)需在兩個(gè)電流輸出端接運(yùn)算放大器，輸出端接運(yùn)算放大器，R Rfbfb可作為運(yùn)算放大器的反饋電阻?？勺鳛檫\(yùn)算放大器

12、的反饋電阻。 VrefVref: :外加高精度基準(zhǔn)電壓輸入端，內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)相連接，外加高精度基準(zhǔn)電壓輸入端，內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)相連接，可正可負(fù)，范圍為可正可負(fù)，范圍為-10V-10V+10V+10V； DGNDDGND: :數(shù)字地?cái)?shù)字地; ;AGNDAGND: :模擬地模擬地 26工作模式單緩沖模式單緩沖模式雙緩沖模式雙緩沖模式無緩沖模式無緩沖模式27單緩沖模式n是是使使DAC0832DAC0832的兩個(gè)輸入寄存器中有一個(gè)處于直通方式，的兩個(gè)輸入寄存器中有一個(gè)處于直通方式，而另一個(gè)處于受控鎖存方式。而另一個(gè)處于受控鎖存方式。如果如果8 8位位DACDAC寄存器寄存器處于處于直通方式，應(yīng)使直通方式，應(yīng)

13、使WR2=0WR2=0和和XFER=0XFER=0?？砂堰@兩個(gè)信號(hào)固定?？砂堰@兩個(gè)信號(hào)固定接地。把接地。把WR1WR1接接80868086的的WRWR，ILEILE接高電平，接高電平，CSCS接高位地接高位地址線或地址譯碼輸出，由單片機(jī)控制輸入寄存器。址線或地址譯碼輸出，由單片機(jī)控制輸入寄存器。+-Voport數(shù) 據(jù) 線地址譯碼PC總線IOWA0A9D0D7+5VCSDAC0832DI0DI7IOUT1IOUT2RFBXFER WR2WR1ILE單緩沖工作方式 : 輸入寄存器工作于受控狀態(tài)DAC寄存器工作于直通狀態(tài)單緩沖模式連接圖129PC 總線I/O寫時(shí)序A15A0CLKIOWT4T1T2T

14、3TwD7D0port轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù)的程序段：MOV AL, data ;取數(shù)字量MOV DX, portOUT DX, ALD/A轉(zhuǎn)換IOUT2DI7DI0LEIOUT1LECSWR1ILE&WR2XFER&輸入寄存RFB-+VoIOWA9A0D7D0+5VPC總線port地址譯碼DAC寄存30port數(shù) 據(jù) 線地址譯碼PC總線IOWA0A9D0D7+5VXFERDAC0832DI0DI7+-VoIOUT1IOUT2RFBCS WR1WR2ILE單緩沖工作方式 : 輸入寄存器工作于直通狀態(tài)DAC寄存器工作于受控狀態(tài)31PC 總線I/O寫時(shí)序A15A0CLKIOWT4T1T2T3

15、TwD7D0port轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù)的程序段：MOV AL, data ;取數(shù)字量MOV DX, portOUT DX, ALIOUT2DI7DI0LECSWR1ILE&輸入寄存VoD7D0+5VPC總線portWR2IOWA9A0XFERD/A轉(zhuǎn)換LEIOUT1RFB-+DAC寄存地址譯碼&32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DACDAC寄存器均需控制。寄存器均需控制。n兩個(gè)步驟兩個(gè)步驟： （1 1）將數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器；）將數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器； （2 2）將輸入寄存器的內(nèi)容寫入）將輸入寄存器的內(nèi)容寫入DACDAC寄存器寄存器n此時(shí)芯片占用兩個(gè)端口地址。此時(shí)芯

16、片占用兩個(gè)端口地址。n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n數(shù)據(jù)接收與數(shù)據(jù)接收與D/AD/A轉(zhuǎn)換可異步進(jìn)行；轉(zhuǎn)換可異步進(jìn)行；n可實(shí)現(xiàn)多個(gè)可實(shí)現(xiàn)多個(gè)DACDAC同步轉(zhuǎn)換輸出。同步轉(zhuǎn)換輸出。n分時(shí)寫入、同步轉(zhuǎn)換。分時(shí)寫入、同步轉(zhuǎn)換。33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34轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù)的程序段：MOV AL, data ;取數(shù)字量MOV DX，port1OUT DX, AL ;打開第一級(jí)鎖存MOV DX, port2OUT DX, AL ;打開第二級(jí)鎖存IOUT2DI7DI0LECSWR1ILE&輸入寄存VoD7D0+5VPC總線port2WR2IOWA9A0XFERD/A轉(zhuǎn)換LEIOUT1R

17、FB-+DAC寄存地址譯碼&port135例例1 1 當(dāng)要求多個(gè)模擬量同時(shí)輸出時(shí)，可采用雙重緩沖當(dāng)要求多個(gè)模擬量同時(shí)輸出時(shí)，可采用雙重緩沖方式。方式。地址譯碼port1XFERWR2CSWR1ILE+D/A轉(zhuǎn)換DI7DI0Vo1port2XFERWR2CSWR1ILE+D/A轉(zhuǎn)換DI7DI0Vo2port3DAC0832DAC0832D7D0A9A0IOWPC總線+5v+5v36code SEGMENT ASSUME CS: code, DS:codedatav1 DB 11h, 12h, 13h, 14h, 15h, 16h, 17h, 18h, 19h, 1Ahdatav2 DB

18、21h, 22h, 23h, 24h, 25h, 26h, 27h, 28h, 29h, 2Ahstart: MOV AX, codeMOV DS, AX LEA SI, data_v1LEA BX, data_v2MOV CX, 10next:MOV AL, SI ;取V1的數(shù)據(jù)OUT port1, AL ;打開第一片0832第一級(jí)鎖存MOV AL, BX ;取V2的數(shù)據(jù)OUT port2, AL ;打開第二片0832第一級(jí)鎖存OUT port3, AL ;打開兩片0832的第二級(jí)鎖存INC SIINC BXLOOP nextMOV AH, 4CHINT 21HcodeENDSEND sta

19、rt編程 ：將datav1和datav2處的兩組數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成模擬量同時(shí)輸出。37例2 應(yīng)用舉例(調(diào)幅）計(jì)算當(dāng)數(shù)字量為0CDH時(shí)的輸出Vo。DAC0832PC總線數(shù) 據(jù) 線WR1IOWDI0DI7D0D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB WR2DGNDCS地址譯碼A0A9XFERVREF-5Vport1port2轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù)的程序段：MOV AL, 0CDHMOV DX，port1OUT DX, ALMOV DX, port2OUT DX, AL38調(diào)幅分析： 當(dāng)數(shù)字量為0FFH=255時(shí)， IOUT1 = Vo = - IOUT1 RFB= - FBREF256R255V2562

20、55 VREF所以： 當(dāng)數(shù)字量為0CDH=205，VREF= -5V時(shí)： Vo = - = 4V256205VREF數(shù)據(jù)線WR1IOWDI0DI7D0D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB WR2DGNDCS地址譯碼A0A9XFERVREF-5Vport1port239注意： Vo的輸出與參考電壓VREF、 以及輸出的連接方法（同相還是反相）有關(guān)。數(shù)據(jù)線WR1IOWDI0DI7D0D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB WR2DGNDCS地址譯碼A0A9XFERVREF-5Vport1port24V上例中，若VREF接的是-10V, 則 Vo = 8V -10V8V10

21、V若VREF接的是10V, 則 Vo = -8V-8V40例3 利用上例連線圖，編程輸出一鋸齒波。tVo4V0V41調(diào)頻：code SEGMENT ASSUME CS:codestart: MOV CX, 8000H ;波形個(gè)數(shù) MOV AL, 0 ;鋸齒谷值next: MOV DX, port1 ;打開第一級(jí)鎖存 OUT DX, AL MOV DX, port2 ;打開第二級(jí)鎖存 OUT DX, AL CALL delay ;控制鋸齒波的周期 INC AL ;修改輸出值 CMP AL, 0CEH ;比較是否到鋸齒峰值 JNZ next ;未到跳轉(zhuǎn) MOV AL, 0 ;重置鋸齒谷值 LOOP

22、 next ;輸出個(gè)數(shù)未到跳轉(zhuǎn) MOV AH, 4CH ;返回DOS INT 21H；子程delay （略）code ENDS END start Vo4V0VCDH424V0VVot實(shí)際輸出的波形圖tVo4V0V不是43無緩沖器模式n輸入寄存器和輸入寄存器和DACDAC寄存器共用一個(gè)地址，同時(shí)選通輸出。寄存器共用一個(gè)地址，同時(shí)選通輸出。直通方式直通方式WR1=WR2=XFER=0WR1=WR2=XFER=0時(shí)，數(shù)據(jù)可以從輸入端經(jīng)時(shí)，數(shù)據(jù)可以從輸入端經(jīng)兩個(gè)寄存器直接進(jìn)入兩個(gè)寄存器直接進(jìn)入D/AD/A轉(zhuǎn)換器，數(shù)字量輸入后就能進(jìn)行轉(zhuǎn)換器，數(shù)字量輸入后就能進(jìn)行A/DA/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。n不能直接與數(shù)據(jù)

23、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74LS37374LS373、82558255等等) )。448.3 模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器nA/DA/D轉(zhuǎn)換器的一般工作原理轉(zhuǎn)換器的一般工作原理nA/DA/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/DA/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用n與系統(tǒng)的連接與系統(tǒng)的連接n數(shù)據(jù)采集程序的編寫數(shù)據(jù)采集程序的編寫A/DA/D轉(zhuǎn)換的四個(gè)步驟轉(zhuǎn)換的四個(gè)步驟: :采樣采樣保持保持量化量化編碼編碼采樣采樣/ /保持：由采樣保持電路（保持：由采樣保持電路（S/HS/H）完成完成量化量化/ /編碼：由編碼：由ADCADC電路完成（電路完成（ADCA

24、DC：ADAD轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換器）8.3.1 8.3.1 采樣和保持采樣和保持n采樣采樣n將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)為時(shí)間上斷續(xù)變化的（離散的）將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)為時(shí)間上斷續(xù)變化的（離散的）模擬量。模擬量。n即：把時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一個(gè)脈沖串，脈沖串中即：把時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一個(gè)脈沖串，脈沖串中每個(gè)脈沖的幅度取決于采樣時(shí)的輸入信號(hào)的幅度。每個(gè)脈沖的幅度取決于采樣時(shí)的輸入信號(hào)的幅度。n保持保持n將采樣得到的模擬量值保持下來，使之等于采樣控制脈沖存在的將采樣得到的模擬量值保持下來，使之等于采樣控制脈沖存在的最后瞬間的采樣值。最后瞬間的采樣值。n目的：目的： A/DA

25、/D轉(zhuǎn)換期間保持采樣值恒定不變。轉(zhuǎn)換期間保持采樣值恒定不變。n對(duì)于變化緩慢的信號(hào)，可省略采樣保持電路對(duì)于變化緩慢的信號(hào)，可省略采樣保持電路采樣保持電路（采樣保持電路（S/HS/H）n由由MOS管采樣開關(guān)管采樣開關(guān)T、保持電容保持電容CH和運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器三和運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器三部分組成。部分組成。S(t)=1S(t)=1時(shí)，時(shí)，T T導(dǎo)通，導(dǎo)通，V Vinin向向C CH H充電，充電，V VC C和和V Voutout跟蹤跟蹤V Vinin變化，即對(duì)變化，即對(duì)V Vinin采樣。采樣。S(t)=0S(t)=0時(shí)，時(shí)，T T截止，截止，V Voutout將保持前一瞬間采樣的數(shù)值不變將保持前一瞬間

26、采樣的數(shù)值不變。CHTVoutVin采樣控制采樣控制S(t)VC采樣保持電路的波形采樣保持電路的波形 A/D轉(zhuǎn)換就是對(duì)轉(zhuǎn)換就是對(duì)ti時(shí)刻時(shí)刻所保持的采樣電壓（每所保持的采樣電壓（每次采樣結(jié)束時(shí)的輸入電次采樣結(jié)束時(shí)的輸入電壓）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。壓）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。Voutt1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 tS(t)tVint采樣周期的確定采樣周期的確定n通常采用通常采用等時(shí)間間隔等時(shí)間間隔采樣。采樣。n采樣頻率采樣頻率 fS 不能低于不能低于 2fmax（ fmax 為輸入信號(hào)為輸入信號(hào)Vin中最高次諧波分量的頻率）；中最高次諧波分量的頻率）；nfS 的的上限受計(jì)算機(jī)的速度、存儲(chǔ)容量、器件速上限

27、受計(jì)算機(jī)的速度、存儲(chǔ)容量、器件速度、成本等條件的限制度、成本等條件的限制n實(shí)際應(yīng)用中一般取實(shí)際應(yīng)用中一般取 fS 為為 fmax 的的4-5倍倍8.3.2 8.3.2 量化和編碼量化和編碼n量化量化就是用標(biāo)準(zhǔn)量化電平的個(gè)數(shù)來表示采樣的模擬電壓值。就是用標(biāo)準(zhǔn)量化電平的個(gè)數(shù)來表示采樣的模擬電壓值。即把時(shí)間上離散而數(shù)值上連續(xù)的模擬量以一定的準(zhǔn)確度變即把時(shí)間上離散而數(shù)值上連續(xù)的模擬量以一定的準(zhǔn)確度變換為時(shí)間上、數(shù)值上都離散的具有標(biāo)準(zhǔn)量化級(jí)的等效數(shù)字換為時(shí)間上、數(shù)值上都離散的具有標(biāo)準(zhǔn)量化級(jí)的等效數(shù)字值。（值。（量化電平的大小取決于量化電平的大小取決于A/D變換器的字長(zhǎng)變換器的字長(zhǎng)）n只有當(dāng)電壓值正好等于

28、量化電平的整數(shù)倍時(shí)，量化后才是準(zhǔn)確值，只有當(dāng)電壓值正好等于量化電平的整數(shù)倍時(shí)，量化后才是準(zhǔn)確值，否則量化后的結(jié)果都只能是輸入模似量的近似值。這種由于量化否則量化后的結(jié)果都只能是輸入模似量的近似值。這種由于量化而產(chǎn)生的誤差叫做量化誤差。而產(chǎn)生的誤差叫做量化誤差。n量化誤差是由于量化誤差是由于量化電平的有限性量化電平的有限性造成的，屬于原理性誤差，只造成的，屬于原理性誤差，只能減小，無法消除。能減小，無法消除。n減小量化誤差的根本辦法是減小量化電平（即增加字長(zhǎng)）。減小量化誤差的根本辦法是減小量化電平（即增加字長(zhǎng)）。n編碼編碼是把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值（它是量化電平的整數(shù)倍）是把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值（它是

29、量化電平的整數(shù)倍）用二進(jìn)制碼、用二進(jìn)制碼、BCD碼或其它編碼來表示。碼或其它編碼來表示。Vint000016個(gè)量化級(jí)個(gè)量化級(jí)100010010010010001101000101011001110量化電平小量化電平小Vint0000010100111001011111108個(gè)量化級(jí)個(gè)量化級(jí)100？量化電平大量化電平大8.3.3 A/D轉(zhuǎn)換器的分類n根據(jù)根據(jù)A/DA/D轉(zhuǎn)換原理和特點(diǎn)的不同，可把轉(zhuǎn)換原理和特點(diǎn)的不同，可把ADCADC分成分成兩大類：兩大類：直接直接ADCADC和和間接間接ADCADC。n直接直接ADCADC是將模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的是將模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有

30、：有：n逐次逼近式逐次逼近式ADCADC、計(jì)數(shù)式計(jì)數(shù)式ADCADC、并行轉(zhuǎn)換式并行轉(zhuǎn)換式ADCADC等。等。n 間接間接ADCADC是將模擬電壓先轉(zhuǎn)換成中間量，如脈沖周是將模擬電壓先轉(zhuǎn)換成中間量，如脈沖周期期T T、脈沖頻率脈沖頻率f f、脈沖寬度脈沖寬度等，再將中間量變成等，再將中間量變成數(shù)字量。常見的有：數(shù)字量。常見的有：n單積分式單積分式ADCADC、雙積分式雙積分式ADCADC，V/FV/F轉(zhuǎn)換式轉(zhuǎn)換式ADCADC等。等。各種ADC的優(yōu)缺點(diǎn)n計(jì)數(shù)式計(jì)數(shù)式ADC：最簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)換速度最慢。最簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)換速度最慢。n并行轉(zhuǎn)換式并行轉(zhuǎn)換式ADC：速度最快，但成本最高。速度最快，但成本最高。n逐

31、次逼近式逐次逼近式ADC：轉(zhuǎn)換速度和精度都比較高，且比較簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換速度和精度都比較高，且比較簡(jiǎn)單，價(jià)格低，所以在微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用。，價(jià)格低，所以在微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用。n雙積分式雙積分式ADC：轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度慢，一般應(yīng)用在精度高而速度不高的場(chǎng)合，如測(cè)量?jī)x表。慢，一般應(yīng)用在精度高而速度不高的場(chǎng)合，如測(cè)量?jī)x表。nV/F轉(zhuǎn)換式轉(zhuǎn)換式ADC：在轉(zhuǎn)換線性度、精度、抗干擾能力等方面在轉(zhuǎn)換線性度、精度、抗干擾能力等方面有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，且接口簡(jiǎn)單、占用計(jì)算機(jī)資源少，缺點(diǎn)也是有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，且接口簡(jiǎn)單、占用計(jì)算機(jī)資源少，缺點(diǎn)也是轉(zhuǎn)換速度慢。在一些輸出信

32、號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大或傳輸距離較遠(yuǎn)轉(zhuǎn)換速度慢。在一些輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大或傳輸距離較遠(yuǎn)的低速過程的模擬輸入通道中應(yīng)用較為廣泛。的低速過程的模擬輸入通道中應(yīng)用較為廣泛。528.3.4 A/DA/D轉(zhuǎn)換器的工作原理n逐位反饋型逐位反饋型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器n類似天平稱重量時(shí)的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量類似天平稱重量時(shí)的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量去逼近被稱物體去逼近被稱物體Vi-+逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Vc比較器比較器數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出控制電路控制電路模擬量輸入模擬量輸入工作原理解釋1 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類似天平稱重量時(shí)的嘗試法，逐步用砝碼的累積

33、重量去逼近被稱物體近被稱物體。例如。例如：用用8 8個(gè)砝碼個(gè)砝碼2 20 0g g，2 21 1g g，2 27 7g g，可以稱出，可以稱出1 1255g255g之間之間的物體的物體。現(xiàn)有一物體，用砝碼稱出其重量（假定重量為?，F(xiàn)有一物體，用砝碼稱出其重量（假定重量為176g176g）。1）ADCADC從高到低從高到低逐次給SARSAR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SARSAR中的數(shù)據(jù)經(jīng)D/AD/A轉(zhuǎn)換為電壓V VC C ；3）V VC C與輸入電壓V Vi i比較，若V VC CVVi i，保持當(dāng)前位的1，否則當(dāng)前位置0；4）從高到低逐次比較下去

34、，直到SARSAR的每一位都嘗試完；5）SARSAR內(nèi)的數(shù)據(jù)就是與V Vi i相對(duì)應(yīng)的2進(jìn)制數(shù)。54T1T8T7T6T5T4T3T2.52.53.754.3754.694.844.734.8050時(shí)鐘A/D啟動(dòng)A/D結(jié)束Vi/Vt工作原理解釋255如：實(shí)現(xiàn)模擬電壓4.80V相當(dāng)于數(shù)字量123的AD轉(zhuǎn)換.具體過程如下： 當(dāng)出現(xiàn)啟動(dòng)脈沖 時(shí)，逐次逼近寄存器清“0”； 當(dāng)?shù)谝粋€(gè) T1 到來，逐次逼近寄存器 最高位D7置“1”， 8位D/A轉(zhuǎn)換器輸入為10000000B， 輸出Vo為滿度的一半5V，即滿量值的128/255。 若VoVi，比較器輸出低電平， 控制電路使逐次逼近寄存器最高位D7置“0”(

35、反之，置“1”)； 56當(dāng)?shù)诙€(gè) 到來，逐次逼近寄存器D6位置“1”， D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入為01000000B， 輸出電壓為2.5V，VoVi，D 7=0V0Vi，D 7=0010000002.5V0Vi，D 6=1V0Vi，D 6=1011000003.75V0Vi ，D 5=1V0Vi ，D 5=1011100004.375V0Vi ，D 4=1V0Vi ，D 4=1011110004.69V0Vi ，D 3=1V0Vi，D 2=0V0Vi，D 2=0011110104.76V0Vi ，D 1=1V0Vi ，D 1=1011110114.80V0Vi ，D 0=1V0Vi ，D 0=

36、10 0646464+32=9664+32=9664+32+16=11264+32+16=11264+32+16+8=12064+32+16+8=12064+32+16+8=12064+32+16+8=12064+32+16+8+2=12264+32+16+8+2=12264+32+16+8+2+1=12364+32+16+8+2+1=123主要技術(shù)指標(biāo)n精度精度 n量化間隔量化間隔( (分辨率分辨率) = ) = V Vmaxmax/ /電平數(shù)電平數(shù)( (即滿量程即滿量程值，值，2n-1）例：某例：某8 8位位ADCADC的滿量程電壓為的滿量程電壓為5V5V，則其分辨率為，則其分辨率為 5V

37、/255=19.6mV 5V/255=19.6mV n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)字用數(shù)字（離散）量表示連續(xù)量時(shí)，由于數(shù)字量量字長(zhǎng)有限字長(zhǎng)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(zhǎng)越長(zhǎng)，精度越高長(zhǎng)越長(zhǎng)，精度越高) )絕對(duì)量化誤差絕對(duì)量化誤差 = = 量化間隔量化間隔/2 = (/2 = (滿量程電壓滿量程電壓/(2/(2n n-1)/2-1)/2相對(duì)量化誤差相對(duì)量化誤差 = 1/2 = 1/2 * * 1/ 1/量化電平數(shù)目量化電平數(shù)目 * * 100%100%例：滿量程電壓例：滿量程電壓=10V=10V，A/DA/

38、D變換器位數(shù)變換器位數(shù)=10=10位，則位，則 絕對(duì)量化誤差絕對(duì)量化誤差 10/2 10/21111 = 4.88mV = 4.88mV 相對(duì)量化誤差相對(duì)量化誤差 1/2 1/21111 * *100% = 0.049%100% = 0.049%n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(zhǎng)越長(zhǎng)），轉(zhuǎn)換速轉(zhuǎn)換一次需要的時(shí)間。精度越高（字長(zhǎng)越長(zhǎng)），轉(zhuǎn)換速度越慢。度越慢。n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)換的電壓的范圍。如05V、-5V+5V、 010V等。等。608.4 典型的A/DA/D轉(zhuǎn)換器AD0809n8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

39、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61主要引腳功能nD7D7D0D0：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）nIN0IN0IN7IN7：8 8通道（路）模擬輸入通道（路）模擬輸入nADDAADDA、ADDBADDB、ADDCADDC：通道地址：通道地址nALEALE：通道地址鎖存：通道地址鎖存nSTARTSTART：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換nEOCEOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)輸出：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)輸出nOEOE：輸出允許（打開輸出三態(tài)門）：輸出允許（打開輸出三態(tài)門）nCLKCLK：時(shí)鐘輸入（：時(shí)鐘輸入（10KHz10KHz1.2MHz1.2MHz）62內(nèi)部結(jié)構(gòu)IN7I

40、N08個(gè)個(gè)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選選163工作時(shí)序64ADC0809的工作過程把把通道地址送到通道地址送到ADDAADDAADDCADDC上，選擇一個(gè)模擬輸入；上，選擇一個(gè)模擬輸入；在通道地址信號(hào)有效期間，在通道地址信號(hào)有效期間，ALEALE上的上的上升沿上升沿使該地址鎖存使該地址鎖存到內(nèi)部地址鎖存器；到內(nèi)部地址

41、鎖存器；STARTSTART引腳上的引腳上的下降沿下降沿啟動(dòng)啟動(dòng)A/DA/D變換；變換；變換開始后，變換開始后，EOCEOC引腳呈現(xiàn)引腳呈現(xiàn)低電平低電平，EOCEOC重新變?yōu)橹匦伦優(yōu)楦唠娖礁唠娖綍r(shí)時(shí)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束；表示轉(zhuǎn)換結(jié)束；OEOE信號(hào)打開信號(hào)打開輸出鎖存器的三態(tài)門送出結(jié)果。輸出鎖存器的三態(tài)門送出結(jié)果。65ADC0809的工作流程 送通道地址送通道地址通道地址鎖存通道地址鎖存啟動(dòng)啟動(dòng)A/D變換變換轉(zhuǎn)換結(jié)束否？轉(zhuǎn)換結(jié)束否？送送OE開門信號(hào)開門信號(hào)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果YN66判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束的方法n軟件延時(shí)等待軟件延時(shí)等待（比如延時(shí)（比如延時(shí)120us）n此時(shí)不用此時(shí)不用EOC信號(hào)，信號(hào)，CPU

42、效率最低效率最低n軟件查詢軟件查詢EOCEOC狀態(tài)。狀態(tài)。n把把EOCEOC作為中斷申請(qǐng)信號(hào)作為中斷申請(qǐng)信號(hào)，接到，接到8259的的IN端。端。n在中斷服務(wù)程序中讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果，效率較高在中斷服務(wù)程序中讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果，效率較高67ADC0809的應(yīng)用n芯片與系統(tǒng)的連接芯片與系統(tǒng)的連接n通常情況下需要經(jīng)數(shù)字接口與系統(tǒng)連接通常情況下需要經(jīng)數(shù)字接口與系統(tǒng)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n從數(shù)據(jù)采集到存儲(chǔ)從數(shù)據(jù)采集到存儲(chǔ)（1）單路輸入 模擬信號(hào)可連接到任何一個(gè)輸入端； 根據(jù)輸入端的連接將地址線接固定電平。（2）多路輸入 輸入信號(hào)分別連接到不同的輸入端； 使用通道地址編號(hào)選擇要轉(zhuǎn)換哪一路輸

43、入（動(dòng)態(tài)選擇）。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)單路輸入時(shí)單路輸入時(shí)ADDCADDBADDAIN4ADC0809輸入輸入+5VADC0809ADC0809接口電路設(shè)計(jì)接口電路設(shè)計(jì)模擬量輸入n地址鎖存信號(hào)地址鎖存信號(hào)ALE和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)STARTn獨(dú)立連接獨(dú)立連接：用兩個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行控制：用兩個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行控制需占用兩個(gè)需占用兩個(gè)I/O端口端口或兩個(gè)或兩個(gè)I/O線線(用用8255時(shí)時(shí))；n統(tǒng)一連接統(tǒng)一連接：用一個(gè)脈沖信號(hào)的上升沿進(jìn)行地址鎖存、下降沿實(shí)：

44、用一個(gè)脈沖信號(hào)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)) 。 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I/O譯碼譯碼 n轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)線轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)線EOC的連接方法的連接方法n軟件延時(shí)軟件延時(shí) (比如延時(shí)比如延時(shí)1ms)不用不用EOC信號(hào)信號(hào)nCPU效率低，只能按最大轉(zhuǎn)換時(shí)間延時(shí)，兼容性差效率低，只能按最大轉(zhuǎn)換時(shí)間延時(shí)，兼容性差n簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)n查詢查詢EOC狀態(tài)狀態(tài)nEOC通過一個(gè)三態(tài)

45、門連到數(shù)據(jù)總線通過一個(gè)三態(tài)門連到數(shù)據(jù)總線n三態(tài)門要占用一個(gè)三態(tài)門要占用一個(gè)I/O端口地址端口地址nCPU效率低，兼容性好效率低，兼容性好n把把EOC作為中斷申請(qǐng)信號(hào)作為中斷申請(qǐng)信號(hào)，向，向CPU申請(qǐng)中斷申請(qǐng)中斷n在中斷服務(wù)程序中讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果在中斷服務(wù)程序中讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果nCPU效率高，兼容性好效率高，兼容性好71數(shù)據(jù)采集程序流程 初始化初始化 送通道地址送通道地址送送ALE信號(hào)信號(hào)送送START信號(hào)信號(hào)讀讀EOC狀態(tài)狀態(tài)送讀允許送讀允許OE信號(hào)信號(hào)EOC=1？讀轉(zhuǎn)換結(jié)果讀轉(zhuǎn)換結(jié)果采集結(jié)束否？采集結(jié)束否？NY結(jié)結(jié) 束束Y送下一路通道地址送下一路通道地址 （1）（1）ND0A15-A0IOR#IOW#D7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA譯譯碼碼器器ADC0809模擬信模擬信號(hào)輸入號(hào)輸入IN0A/DA/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用例1 1（查詢方式）（查詢方式）進(jìn)行一次進(jìn)行一次A/DA/D轉(zhuǎn)換的程序段轉(zhuǎn)換的程序段n用延時(shí)等待的方法用延時(shí)等待的方法MOVMOV