第08章模擬量的輸入輸出接口技術(shù)

1、C H A P T E R模擬量的輸入輸出接口技術(shù)8共四十九頁(yè)本 章 內(nèi) 容第一節(jié)概述第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理典型的D/A轉(zhuǎn)換芯片(xn pin)DAC芯片的應(yīng)用第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理典型A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC芯片的應(yīng)用共四十九頁(yè)第一節(jié)概 述在一個(gè)微型計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制系統(tǒng)中，往往由模擬輸入通道(tngdo)和模擬輸出通道(tngdo)構(gòu)成。模擬輸入通道的作用就是將生產(chǎn)過程中所需檢測(cè)的連續(xù)變化的物理量轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)所能接收和識(shí)別的數(shù)字信號(hào) ；模擬輸出通道的作用是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制，將計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加工、處理后的數(shù)據(jù)輸出至調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 共四十九頁(yè)第一節(jié)概

2、 述測(cè)控對(duì)象(duxing)被測(cè)對(duì)象被控對(duì)象模擬輸入通道傳感器信號(hào)處理多路開關(guān)采樣保持A/D轉(zhuǎn)換器計(jì)算機(jī)模擬輸出通道(tngdo)D/A轉(zhuǎn)換器功率放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖8-1所示的系統(tǒng)中，主要由以下幾部分構(gòu)成：共四十九頁(yè)第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器D/A裝換器的工作原理D/A轉(zhuǎn)換器處于模擬輸出(shch)通道中，它的主要作用是將計(jì)算機(jī)輸出(shch)的二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。在一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器中所用轉(zhuǎn)換電路主要由運(yùn)算放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。1.運(yùn)算放大器放大器的主要作用是將權(quán)電阻電路上形成的模擬信號(hào)穩(wěn)定、放大后輸出。共四十九頁(yè)第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器2.權(quán)電阻的D/A轉(zhuǎn)換(zhunhun)電路權(quán)電阻電路是D/A轉(zhuǎn)換

3、的核心，它實(shí)際就是一種解碼器。它的輸入為數(shù)字量D和模擬基準(zhǔn)電壓VREF，它的輸出就是模擬量VO。主要作用就是將各位二進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開相加。圖8-3為簡(jiǎn)單的權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換電路示意圖。 3.T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路由圖8-3可看出，當(dāng)數(shù)字量的位數(shù)增多時(shí)，每個(gè)電阻阻值依次增大到前一個(gè)電阻的2倍，這在集成電路生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)的難度較大，因此現(xiàn)在使用較多的是T型權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，圖8-4所示為一個(gè)簡(jiǎn)化了的R-2R型T型電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換原理圖。共四十九頁(yè)第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)分辨率線性誤差轉(zhuǎn)換精度建立時(shí)間(shjin)溫度系數(shù)電源抑制比工作溫度范圍增益誤差共四十九頁(yè)典型(dinxng)的D/A轉(zhuǎn)換芯片

4、DAC0832是CMOS工藝(gngy)制造的8位電流輸出型雙緩沖D/A轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)帶有數(shù)據(jù)鎖存器，可與通常的微處理器直接相連。1. DAC0832引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖8-7為DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖8-8給出了DAC0832的引腳圖。共四十九頁(yè)典型的D/A轉(zhuǎn)換(zhunhun)芯片2.DAC0832的主要技術(shù)指標(biāo)電流穩(wěn)定時(shí)間：1s。分辨率，8位。線性誤差：0.2%FSR(Full Scale Range) 數(shù)字輸入與TTL兼容。增益溫度(wnd)系數(shù)：0.002%FSR/。低功耗：20mW。單電源：+5V+15V。參考電壓：-10V+10V。共四十九頁(yè)典型(dinxng)的D/A轉(zhuǎn)換芯

5、片3.DAC0832的工作方式根據(jù)對(duì)DAC0832的輸入鎖存器和DAC寄存器的不同控制方法，DAC0832有如下三種工作方式：（1) 直通方式在直通方式下，數(shù)據(jù)(shj)不鎖存，此時(shí)，被轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)(shj)一旦到達(dá)輸入端口D7D0，即可進(jìn)入轉(zhuǎn)換器且輸出。 （2）單緩沖方式單緩沖方式是將兩個(gè)寄存器之一始終置于直通方式，另一個(gè)寄存器處于鎖存方式。（3) 雙緩沖方式兩個(gè)寄存器都處于鎖存狀態(tài)，在這種工作方式下，能夠?qū)σ粋€(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)，輸入另一個(gè)數(shù)據(jù)，提高了D/A轉(zhuǎn)換速率； 共四十九頁(yè)DAC芯片(xn pin)與主機(jī)的連接DAC芯片相當(dāng)于一個(gè)“輸出設(shè)備”，至少需要一級(jí)鎖存器作為接口電路。 1)

6、主機(jī)位數(shù)等于或大于DAC芯片位數(shù)，如圖8-12所示。在執(zhí)行程序時(shí)，可直接執(zhí)行下列語(yǔ)句即可完成被轉(zhuǎn)換(zhunhun)數(shù)據(jù)輸出。MOVAL，BUFMOVAX，PORTDOUTDX，AL2)主機(jī)位數(shù)小于DAC芯片位數(shù)，如圖8-13所示。這種情況下，采用兩級(jí)鎖存電路的系統(tǒng)連接，如圖8-14所示。MOVAX，PORT1MOVAL，BLOUTDX，ALMOVDX，PORT2MOVAL，BHOUTDX，AL 共四十九頁(yè)DAC芯片(xn pin)的應(yīng)用【例8-2】Intel 8255A的PA7PA0與DAC 0832的數(shù)據(jù)輸入線DI7DI0相連，轉(zhuǎn)換后的輸出電壓經(jīng)運(yùn)算放大器接至示波器的Y軸。通過程序給出不同

7、的數(shù)據(jù)，就可在示波器上觀察到相應(yīng)的波形。 （一）產(chǎn)生三角波形將線性增長(zhǎng)(zngzhng)段和線性下降段結(jié)合起來，便可產(chǎn)生三角波形。程序如下：MOVAL，10000000B；設(shè)定8255A的A口為輸出方式MOVDX，0DHOUTDX，ALMOVDX，0AHMOVAL，00H；送下限值SJ0:OUTDX，AL；將數(shù)據(jù)輸出到A口INCAL；AL加1JNZSJ0；上限為FFH，沒到上限，繼續(xù)循環(huán)SJ1:DECAL；到上限，AL減1OUTDX ，ALJNZSJ1；若沒到下限，轉(zhuǎn)SJ1繼續(xù)減1輸出JMPSJ0 ；到下限，轉(zhuǎn)SJ0重新從下限開始執(zhí)行上面的程序所產(chǎn)生的三角波如圖8-19所示。共四十九頁(yè)DAC芯

8、片(xn pin)的應(yīng)用（二）產(chǎn)生梯形波形產(chǎn)生梯形波形(b xn)的方法與產(chǎn)生三角波形(b xn)類似，只要把線性上升段和線性下降段結(jié)合起來，并在它們之間插入相應(yīng)的延時(shí)程序，即可產(chǎn)生梯形波形。產(chǎn)生梯形波的程序流程圖如圖8-20所示。程序如下：MOVAL，80H；設(shè)定8255A的A口為輸出方式MOVDX，0DHOUTDX，ALMOVDX，0AHMOVAL，00H；從0開始OUTDX，AL；將數(shù)據(jù)輸出到A口共四十九頁(yè)DAC芯片(xn pin)的應(yīng)用TX0： INCAL；AL加1OUTDX，ALCMPAL，0FFH；檢查到上限(shngxin)否JNZTX0；上限為FFH，沒到上限，繼續(xù)循壞MOVC

9、X，0FFH；上限到，延時(shí)TX1：NOPLOOPTX1TX2：DECAL； AL減1OUTDX ，ALCMPAL，00H；檢查到下限否JNZTX2；上限為00H，沒到下限，繼續(xù)循環(huán)MOVCX，0FFH；下限到，延時(shí)TX3：NOPLOOPTX3JMPTX0；轉(zhuǎn)TX0開始下一個(gè)周期梯形波的波形圖如圖8-21所示。共四十九頁(yè)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器一 A/D轉(zhuǎn)換器工作原理A/D轉(zhuǎn)換器處于模擬輸入通道中，是模擬信號(hào)源與計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字系統(tǒng)之間傳遞信息的橋梁，它主要是將連續(xù)變化的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為n位二進(jìn)制數(shù)字量信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理、存貯或顯示。 A/D轉(zhuǎn)換通常分四步進(jìn)行：采樣保持量化編碼1

10、. 采樣和保持所謂采樣，是將一個(gè)時(shí)間(shjin)上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間(shjin)上離散的模擬量。通常采用等時(shí)間間隔進(jìn)行采樣。采樣過程如圖8-22所示。當(dāng)模擬信號(hào)頻率變化較快時(shí)，可采用保持電路，原理如圖8-24所示。 2. 量化和編碼所謂量化，就是用基本的量化電平q的個(gè)數(shù)來表示采樣保持電路得到的模擬電壓值。 共四十九頁(yè)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器二 A/D轉(zhuǎn)換方法實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法很多，可以用硬件方法實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件方法實(shí)現(xiàn)。常用的有逐次逼近法、雙積分法及電壓頻率轉(zhuǎn)換法等。1. 逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器主要由三大部分組成(z chn)：逐次逼近寄存器SAR、D/A轉(zhuǎn)換器、比較器及相應(yīng)的時(shí)序

11、和控制邏輯部分。圖8-26所示是逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器的電路原理圖。 2. 雙積分法A/D轉(zhuǎn)換器雙積分法A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成，如圖8-27 (a)所示。 3. 電壓頻率轉(zhuǎn)換器的工作原理電壓頻率轉(zhuǎn)換器(VFC)構(gòu)成模/數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，由計(jì)數(shù)器、控制門及一個(gè)具有恒定時(shí)間的時(shí)鐘門控制信號(hào)組成。圖8-28所示為VFC型A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖和波形圖。 共四十九頁(yè)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器三A/D轉(zhuǎn)換器主要參數(shù)1.分辨率2.量化誤差3.精度4.轉(zhuǎn)換時(shí)間5.量程6.輸出邏輯電平7.溫度系數(shù)和增益(zngy)系數(shù)8.抑制比共四十九頁(yè)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器四典型(dinxng)A/D轉(zhuǎn)

12、換芯片理想的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)于CPU應(yīng)該是一個(gè)簡(jiǎn)單的輸入接口，或表現(xiàn)為一個(gè)只讀ROM。ADC0809是National半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS材料的A/D轉(zhuǎn)換器，是目前應(yīng)用較為廣泛的芯片之一。1. ADC0809的引腳ADC0809外部引腳如圖8-29所示，ADC0809共有28根引腳。2. ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809主要由模擬輸入通道選擇、轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出緩沖器三部分組成。ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖8-30所示。ADC0809地址譯碼與輸入通道的關(guān)系見表8-1。 共四十九頁(yè)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器五ADC芯片與系統(tǒng)的連接ADC芯片相當(dāng)于“輸入設(shè)備” ，在A/D 轉(zhuǎn)換器與CPU接口

13、中必須考慮如下問題：A/D 轉(zhuǎn)換(zhunhun)器的轉(zhuǎn)換(zhunhun)時(shí)間；A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出特性；A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率和微處理器數(shù)據(jù)總線的位數(shù)；A/D 轉(zhuǎn)換器的控制和狀態(tài)信號(hào)。共四十九頁(yè)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器ADC芯片(xn pin)與系統(tǒng)的連接1.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間(shjin)A/D與CPU間的時(shí)間配合問題A/D 轉(zhuǎn)換器與CPU 的接口中，重點(diǎn)要解決的是時(shí)間配合問題。下面是幾種相應(yīng)的解決方法。固定延時(shí)等待法保持等待法中斷響應(yīng)法（圖8-34給出此方法的程序流程圖）雙重緩沖法查詢法共四十九頁(yè)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器ADC芯片與系統(tǒng)(xtng)的連接2.A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出特性A

14、/D轉(zhuǎn)換器與CPU 間除了明顯的電器相容性以外，對(duì)A/D的數(shù)字輸出(shch)必須考慮的關(guān)鍵兩點(diǎn)為：轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)應(yīng)由A/D鎖存；數(shù)據(jù)輸出最好具有三態(tài)能力。與主機(jī)的連接可分成兩種方式：1）直接相連：用于輸出帶有三態(tài)鎖存器的ADC芯片2）通過三態(tài)鎖存器相連：適用于不帶三態(tài)鎖存器的ADC芯片，也適用帶有三態(tài)鎖存緩沖器的芯片共四十九頁(yè)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器ADC芯片(xn pin)與系統(tǒng)的連接3. A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率和微處理器數(shù)據(jù)總線位數(shù)統(tǒng)一的問題（1）情況一（2）情況二4.A/D的控制和狀態(tài)信號(hào)啟動(dòng)(qdng)信號(hào)編程啟動(dòng)定時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出允許信號(hào) 共四十九頁(yè)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器ADC芯片(

15、xn pin)的應(yīng)用【例8-3】編程啟動(dòng)ADC，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束(jish)后采用中斷處理方式。系統(tǒng)連接如圖8-40所示。 1、主程序；數(shù)據(jù)段ADTEMPDB0；給定一個(gè)臨時(shí)變量；代碼段；設(shè)置中斷向量等工作STI；開中斷MOVDX，220HOUTDX，AL；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；其他工作共四十九頁(yè)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器ADC芯片(xn pin)的應(yīng)用2、中斷(zhngdun)服務(wù)程序ADINTPROCSTI；開中斷PUSHAX；保護(hù)寄存器PUSHDXPUSHDSMOVAX，data；設(shè)置數(shù)據(jù)段DSMOVDS，AXMOVDX，220HINAL，DX；讀A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量MOVADTEMO，AL；送入緩沖區(qū)MO

16、VAL，20H；發(fā)送EOI命令OUT20H，ALPOPDS；恢復(fù)寄存器POPDXPOPAXIRET；中斷返回ADINTENDP共四十九頁(yè)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器ADC芯片(xn pin)的應(yīng)用【例8-4】編程啟動(dòng)ADC，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，采用查詢處理方式，系統(tǒng)連接如圖8-41所示。1、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)(shj)段counterEQU 8BUFDB counterDUP(0)；數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；代碼段MOVBX，OFFSET BUFMOVCX，counterMOVDX，220H；從IN0開始轉(zhuǎn)換start1:OUTDX，AL；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換 PUSHDX共四十九頁(yè)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器ADC芯片(xn pin)的應(yīng)

17、用2、查詢讀取MOVDX，238H；查詢是否轉(zhuǎn)換(zhunhun)結(jié)束start2:INAL，DX；讀入狀態(tài)信息TESTAL，80H；D71，轉(zhuǎn)換結(jié)束否?JZstart2；沒有結(jié)束，繼續(xù)查詢POPDX；轉(zhuǎn)換結(jié)束INAL，DX；讀取數(shù)據(jù)MOVBX，AL；存入緩沖區(qū)INCBXINCDXLOOPstart1；轉(zhuǎn)向下一個(gè)模擬通道共四十九頁(yè)權(quán) 電 阻 轉(zhuǎn) 換圖8-3 簡(jiǎn)單權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換(zhunhun)電路示意圖圖8-4T形權(quán)電阻(dinz)D/A轉(zhuǎn)換原理圖返回共四十九頁(yè)實(shí)時(shí)(sh sh)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖圖8-1實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的構(gòu)成圖返回模 擬 輸 入 通 道模 擬

18、輸 出 通 道共四十九頁(yè)DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖8-7DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖返回(fnhu)共四十九頁(yè)DAC0832的引腳圖圖8-8 DAC0832的引腳圖返回(fnhu)數(shù)字(shz)接口的引腳模擬輸出引腳共四十九頁(yè)DAC芯片(xn pin)的連接圖8-12 主機(jī)數(shù)大于或等于(dngy)DAC芯片的連接圖8-13 主機(jī)位數(shù)小于DAC芯片的連接譯碼ABD0D7CLKDACVout+_ALS273 IOWCPUDAC8位12位返回共四十九頁(yè)兩級(jí)鎖存電路(dinl)圖8-14兩級(jí)鎖存電路(dinl)12位DAC第2級(jí)12位鎖存控制第1級(jí)低8位鎖存控制第1級(jí)高4位鎖存控制D0D74位鎖存器

19、4位鎖存器8位鎖存器8位鎖存器模擬輸出返回共四十九頁(yè)DAC芯片(xn pin)應(yīng)用波形圖圖8-19三角(snjio)波波形圖圖8-21 產(chǎn)生梯形波波形圖返回共四十九頁(yè)產(chǎn)生(chnshng)梯形波的流程圖圖8-20產(chǎn)生(chnshng)梯形波的程序流程圖返回共四十九頁(yè)A/D轉(zhuǎn)換器的工作(gngzu)原理圖8-22采樣(ci yn)過程示意圖圖8-24采樣保持電路原理圖返回共四十九頁(yè)A/D轉(zhuǎn)換方法圖8-27 雙積分法A/D轉(zhuǎn)換器工作(gngzu)原理圖a)原理圖b)波形圖返回(fnhu)共四十九頁(yè)A/D轉(zhuǎn)換方法圖8-28 VFC型A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖波形圖a)原理圖b)波形圖返回(fnhu)共四十九頁(yè)ADC0809外部(wib)引腳圖8-29ADC0809外部(wib)引腳圖返回啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸入地址鎖存有效輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換完成輸出信號(hào)讀允許信號(hào)時(shí)鐘信號(hào)輸入端5V電源輸入接地線共四十九頁(yè)ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖8-30 ADC0809的內(nèi)部(nib)結(jié)構(gòu)圖返回(fnhu)模擬輸入通道選擇部分轉(zhuǎn)換器部分輸出部分共四十九頁(yè)地址(dzh)譯碼與輸入通道的關(guān)系表8-1 地址(dzh)譯碼與輸入通道的關(guān)系返回共