微機原理第八章

1、1第8章 模擬量的輸入輸出2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)換器的工作原理、連接及編轉(zhuǎn)換器的工作原理、連接及編程程A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理、連接及編轉(zhuǎn)換器的工作原理、連接及編程程3模擬量的輸入輸出通道4模擬量I/O通道：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)動驅(qū)動D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換輸出輸出接口接口微微型型計計算算機機執(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理處理信號信號變換變換I

2、/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5模擬量的輸入通道n傳感器（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)的電信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號n信號處理（信號處理（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保證變換時信號恒定不變保證變換時信號恒定不變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6模擬量

3、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)動放大驅(qū)動n提供足夠的驅(qū)動電壓，電流提供足夠的驅(qū)動電壓，電流7閉環(huán)控制系統(tǒng)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)8數(shù)/模（D/A）變換器9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10一、D/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運算放大器運算放大器VrefRf

4、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11基本變換原理n當(dāng)運放的放大倍數(shù)足夠大時，輸出電壓當(dāng)運放的放大倍數(shù)足夠大時，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 fOinRV = -VR12基本變換原理n若輸入端有若輸入端有n個支路個支路, 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 VOR1Rn13n=8的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S814基本變換原理n如果每個支路由一個開關(guān)如果每個支路由一個開關(guān)Si控制，

5、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 = -SV2若若Si=1,該項對該項對VO有貢獻；有貢獻；若若Si=0,該項對該項對VO無貢獻無貢獻15基本變換原理n如果用如果用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)，則不同的，則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；n當(dāng)代碼在當(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 0(255/256)Vref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

6、，實際的為控制電阻網(wǎng)絡(luò)各支路電阻值的精度，實際的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)。16實際的D/A轉(zhuǎn)換器 R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)R Rf fViV0Vrefn-1n-12 21 10 02R2R2R2R2R2R2R2RR RR RR RVn-1V2V1V02R2R+ +- -.17二、主要技術(shù)指標(biāo)n分辨率（分辨率（Resolution）n輸入的二進制數(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)使輸出使輸出變化的程度。變化的程度。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

7、入數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、位、10位等；位等；n也可用一個也可用一個LSB （Least Significant BitLeast Significant Bit）使輸出變使輸出變化的程度來表示?；某潭葋肀硎?。18分辯率例n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）實際輸出值與理論值之間的最大偏差實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 電源波動電源

8、波動 溫度變化溫度變化 20轉(zhuǎn)換時間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所對所對應(yīng)的模擬量所需要的時間應(yīng)的模擬量所需要的時間tV1/2 LSBtCVFULL21三、典型D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832特點：特點：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差動輸出差動輸出22DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)23主要引腳功能輸入寄存器控制信號：輸入寄存器控制信號：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：片選信號nWR1：寫輸入鎖存器：寫輸入鎖存器1234567891020191817161

9、514131211VCCILEWR2XFERD4D5D6D7LOUT2LOUT1CSWR1AGNDD3D2D1D0VREFRfbDGNDDAC083224主要引腳功能用于用于DAC寄存器的控制信號：寄存器的控制信號：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：允許輸入鎖存器的數(shù)據(jù)傳送到DAC寄寄存器存器25主要引腳功能其它引線：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)換差動電流輸出。轉(zhuǎn)換差動電流輸出。 用于連接運算放大器的輸入用于連接運算放大器的輸入nRfb：內(nèi)部反饋電阻引腳

10、，接運放輸出：內(nèi)部反饋電阻引腳，接運放輸出nAGND、DGND：模擬地和數(shù)字地：模擬地和數(shù)字地 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，即芯片只占用一個端口地址。即芯片只占用一個端口地址。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)的程序為：序為： MOV DX，PORT MOV AL，DATA OUT DX，AL28單緩沖模式例n利用教材圖利用教材圖8-12所示線路圖輸出三角波：所示線路圖輸出三角波：n端口地址：端口地址：0278H

11、n最大輸出值最大輸出值5V，對應(yīng)數(shù)字量：，對應(yīng)數(shù)字量：FFHn最小輸出值最小輸出值0V，對應(yīng)數(shù)字量：，對應(yīng)數(shù)字量：00Hn MOV DX，0278Hn MOV AL，0nNET1： OUT DX，ALn INC ALn CMP AL，0FFHn JNZ NET1n DEC ALNET2： OUT DX，AL DEC AL CMP AL，0 JNZ NET2 JMP NET129雙緩沖模式（標(biāo)準(zhǔn)模式）n對輸入寄存器和對輸入寄存器和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有效時，數(shù)據(jù)寫入輸入當(dāng)輸入寄存器控制信號有效時，數(shù)據(jù)寫入輸入 寄存器中；再在寄存器中；再在DAC寄存器控制信

12、號有效時，寄存器控制信號有效時， 數(shù)據(jù)才寫入數(shù)據(jù)才寫入DAC寄存器，并啟動變換。寄存器，并啟動變換。n此時芯片占用兩個端口地址。此時芯片占用兩個端口地址。n優(yōu)點：優(yōu)點：n數(shù)據(jù)接收與數(shù)據(jù)接收與D/A轉(zhuǎn)換可異步進行；轉(zhuǎn)換可異步進行；n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。n分時寫入、同步轉(zhuǎn)換。分時寫入、同步轉(zhuǎn)換。30工作時序D0-D7CSWR1ILE（高電平）WR2XFER（模擬輸出電流變化）寫輸入寫輸入寄存器寄存器寫寫DAC寄存器寄存器31雙緩沖模式同步轉(zhuǎn)換例譯碼器譯碼器A10-A00832-10832-2port1port2port332MOV AL，data MOV DX，p

13、ort1OUT DX，ALMOV DX，port2OUT DX，AL MOV DX，port3OUT DX，AL HLT雙緩沖模式的數(shù)據(jù)寫入程序0832-1的輸入寄存器地址的輸入寄存器地址0832-2的輸入寄存器地址的輸入寄存器地址DAC寄存器地址寄存器地址33無緩沖器模式n使內(nèi)部的兩個寄存器都處于直通狀態(tài)。模擬輸使內(nèi)部的兩個寄存器都處于直通狀態(tài)。模擬輸出始終跟隨輸入變化。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)。34四、D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)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

14、/AD/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35模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器36要點：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37A/D轉(zhuǎn)換器n用于將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的用于將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的裝置，簡稱裝置，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。38A/D轉(zhuǎn)換器類型n計數(shù)型計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換

15、器轉(zhuǎn)換器 -速度慢、價格低，適用于慢速系統(tǒng)速度慢、價格低，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，適用于中速分辯率高、抗干擾性好、轉(zhuǎn)換速度慢，適用于中速 系統(tǒng)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39一、A/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類似天平稱重量時的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量類似天平稱重量時的嘗試法，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 VC40二

16、、主要技術(shù)指標(biāo)n轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度n量化誤差量化誤差n非線性誤差非線性誤差n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41量化間隔n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 =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，則其分辨，則其分辨率為：率為： 5V/255=19.6mV42量化誤差n絕對量化誤差絕對量化誤差n絕對量化誤差絕對量化誤差=1/2 n相對量化誤差相對量化誤差n相對量化誤差相對量化誤差=（1/2） 100%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：絕對量化誤差

17、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%43轉(zhuǎn)換時間n實現(xiàn)一次轉(zhuǎn)換需要的時間。精度越高（字長越實現(xiàn)一次轉(zhuǎn)換需要的時間。精度越高（字長越長），轉(zhuǎn)換速度越慢。長），轉(zhuǎn)換速度越慢。44輸入動態(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。45三、典型的A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809：n8通道（通道（8路）輸入路）輸入n8位字長位字長 n逐位逼近型逐位逼近型n轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間100s n內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器46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)）nIN0IN

18、7：8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：啟動轉(zhuǎn)換：啟動轉(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：時鐘輸入（：時鐘輸入（10KHz1.2MHz）47內(nèi)部結(jié)構(gòu)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

19、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148工作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49ADC0809的工作過程由時序圖知由時序圖知ADC0809的工作過程如下：的工作過程如下：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；鎖存通道地址到內(nèi)部地址鎖存器；n啟動啟動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50ADC0809的工作流程 送通道地址送通道

20、地址通道地址鎖存通道地址鎖存啟動啟動A/D變換變換轉(zhuǎn)換結(jié)束否？轉(zhuǎn)換結(jié)束否？送送OE開門信號開門信號讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果YN51判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束的方法n軟件延時等待軟件延時等待（比如延時（比如延時120us）n此時不用此時不用EOC信號，信號，CPU效率最低效率最低n軟件查詢軟件查詢EOC狀態(tài)。狀態(tài)。n把把EOC作為中斷申請信號作為中斷申請信號，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52ADC0809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)

21、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)采集到存儲從數(shù)據(jù)采集到存儲53ADC0809與系統(tǒng)的連接例單路模擬量輸入：單路模擬量輸入：D0IN0A15-A0 D7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA譯譯碼碼器器ADC0809數(shù)字數(shù)字I/O接口接口輸出輸出接口接口IORIOW54ADC0809與系統(tǒng)的連接例D0IN0A15-A0 IOR IOWD7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA譯譯碼碼器器ADC0809I/O接接口口數(shù)字數(shù)字I/O接口接口IN7多路模擬量輸入：多路模擬量輸入：55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信號信號送送START信號信號讀讀EOC狀態(tài)狀態(tài)送讀允許送讀允許OE信號信號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）N56A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用例題題8.148.14n825582