模擬量輸入輸出接口技術(shù)

模擬量輸入輸出接口技術(shù)1第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1典型D/A轉(zhuǎn)換器芯片控制系統(tǒng)中傳感器所檢測的信號如溫度、壓力、流量、速度、濕度等物理量都是隨著時間連續(xù)變化的模擬量，為了能用計算機對模擬量進行采集、加工和輸出，就需要把模擬量轉(zhuǎn)換成便于計算機存儲和加工的數(shù)字量（稱為A/D轉(zhuǎn)換）；同樣經(jīng)過計算機處理后的數(shù)字量必須轉(zhuǎn)換成模擬量（稱為D/A轉(zhuǎn)換）才能控制外部設備。我們把能實現(xiàn)A/D與D/A轉(zhuǎn)換的相關(guān)器件集中做在一塊接口電路板上，稱為模擬量輸入/輸出通道。它主要由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理部件、多路開關(guān)、采樣/保持器、D/A轉(zhuǎn)換器等部件組成。第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)2第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

10.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理和主要參數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器是用電阻解碼網(wǎng)絡將N位數(shù)字量逐位轉(zhuǎn)換成模擬量并求和實現(xiàn)將N位數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量。1.D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理D/A轉(zhuǎn)換器的模擬量輸出與參考量以及二進制數(shù)成比例關(guān)系，可用下面的式子表示：其中X為模擬量輸出，K為比例常數(shù)，VREF為參考量（電壓或電流），B為待轉(zhuǎn)換的二進制數(shù)，通常B的位數(shù)為8位、12位等。第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)3第3頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第10章（1）二進制加權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器：其結(jié)構(gòu)如圖10-1所示。該電路由權(quán)電阻、位切換開關(guān)、反饋電阻和運算放大器等組成。模擬量輸入/輸出接口技術(shù)圖10-1二進制加權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器4第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第10章（2）梯形電阻D/A轉(zhuǎn)換器：如圖10-2所示，該電阻網(wǎng)絡中僅有R和2R兩種電阻，切換開關(guān)的工作原理與二進制加權(quán)電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換工作原理相同。模擬量輸入/輸出接口技術(shù)圖10-2梯形電阻D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)5第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2.D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)（1）精度：指D/A轉(zhuǎn)換器的實際輸出與理論滿刻度輸出之間的差異。（2）分辨率：指當輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化時所對應的輸出模擬量的變化量。（3）建立時間：指當D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，輸出模擬量達到穩(wěn)定數(shù)值所需要的時間。（4）溫度系數(shù)：環(huán)境溫度的變化會對D/A轉(zhuǎn)換精度產(chǎn)生影響，分別用失調(diào)溫度系數(shù)、增益溫度系數(shù)和微分非線性溫度系數(shù)來表示。（5）非線性誤第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)6第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

10.1.2DAC0832及其應用DAC0832是8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片，其明顯特點是與微機連接簡單、轉(zhuǎn)換控制方便、價格低廉，在微機系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。D/A轉(zhuǎn)換器的輸出一般都要接運算放大器，微小信號經(jīng)放大后才能驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的部件。AC0832的主要技術(shù)指標有：分辨率為8位；轉(zhuǎn)換速度約為1μs；非線性誤差為0.20%FSR；溫度系數(shù)為2×10-6/℃；工作方式為雙緩沖、單緩沖和直通方式；邏輯輸入與TTL電平兼容；功耗為20mW；單電源供電。第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)7第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月1.DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖10-3所示，它由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位DAC轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成，DAC轉(zhuǎn)換器采用梯型電阻網(wǎng)絡。第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)8第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)圖10-3DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)9第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第10章2.DAC0832的引腳功能DAC0832為20腳雙列直插式封裝，如圖所示。模擬量輸入/輸出接口技術(shù)10第10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第10章3.DAC0832的工作方式DAC0832內(nèi)部有兩個寄存器，能實現(xiàn)3種工作方式：（1）直通方式（2）單緩沖方式（3）雙緩沖方式4.DAC0832的輸出DAC0832是電流形式輸出，當需要電壓形式輸出時，必須外接運算放大器。如圖10-5所示。模擬量輸入/輸出接口技術(shù)11第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)（a）反相輸出（b）同相輸出圖10-5DAC0832的輸出12第12頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.DAC0832芯片與微機接口電路的設計選擇和使用D/A轉(zhuǎn)換器時要注意以下幾點：（1）合理選擇DAC芯片。（2）設計和連接接口（3）配置參考電源DAC芯片作為一個輸出設備接口電路，與主機的連接比較簡單，主要是處理好數(shù)據(jù)總線的連接。第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)13第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2典型A/D轉(zhuǎn)換器芯片10.2.1A/D轉(zhuǎn)換器工作原理和主要參數(shù)1.A/D轉(zhuǎn)換器的分類及工作原理按照輸入模擬量的極性分類，A/D轉(zhuǎn)換器可以分為單極型和雙極型兩種；按照輸出數(shù)字量分類，可以有并行方式、串行方式及串/并行方式；按照A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理分類，可以分為積分型、逐次逼近型和并行轉(zhuǎn)換型。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器如圖10-9所示。第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)14第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)圖10-9逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器15第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的主要特點是：轉(zhuǎn)換速度較快，轉(zhuǎn)換時間在1～100μs以內(nèi)，分辨率可達18位，特別適用于高精度和高頻信號的A/D轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換時間固定，不隨輸入信號的大小而變化；抗干擾能力不如雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，需要采取適當?shù)臑V波措施。這類典型芯片主要有ADC0809、ADCl210、AD574等。第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)16第16頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2.A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)（1）分辨率：反映A/D轉(zhuǎn)換器對輸入微小變化的響應能力。（2）精度：采用絕對誤差和相對誤差兩種方法來表示。（3）轉(zhuǎn)換時間：指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間。（4）溫度系數(shù)：是表示A/D轉(zhuǎn)換器受環(huán)境溫度影響的程度。（5）量程：指所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓范圍，分單極性、雙極性兩種類型。（6）邏輯電平及方式：多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號與TTL電平兼容，以并行方式輸出。（7）工作溫度范圍：一般為0～70℃。第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)17第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第10章10.2.2ADC0809轉(zhuǎn)換器及其應用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809片內(nèi)有8路模擬開關(guān)，可以同時連接8路模擬量，單極性，量程為0～5V，片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器，可以直接與微機總線相連接。該芯片有較高的性能價格比，適用于對精度和采樣速度要求不高的場合或一般的工業(yè)控制領域。由于其價格低廉，便于與微機連接，因而應用十分廣泛。模擬量輸入/輸出接口技術(shù)18第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月1.ADC0809的結(jié)構(gòu)及工作原理ADC0809采用單一的十5V電源供電，外接工作時鐘為500kHz時，轉(zhuǎn)換時間大約為128ms，工作時鐘為640kHz時，轉(zhuǎn)換時間大約為100ms。ADC0809的邏輯結(jié)構(gòu)如圖10-10所示，其內(nèi)部由256R電阻分壓器、樹狀模擬開關(guān)、電壓比較器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。其基本工作原理是采用對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。第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)19第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)圖10-10ADC0809的邏輯結(jié)構(gòu)20第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第10章2.ADC0809主要技術(shù)指標分辨率為8位；非調(diào)整誤差為±1LSB；增益溫度系數(shù)為0.02％；低功耗電量，為20mW；單電源+5V供電；轉(zhuǎn)換速度1μs，轉(zhuǎn)換時間100μs（時鐘頻率640Hz）；具有鎖存控制功能的8路模擬開關(guān)，能對8路模擬電壓信號進行轉(zhuǎn)換；輸出電平與TTL電平兼容。模擬量輸入/輸出接口技術(shù)21第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月3.ADC0809的引腳功能ADC0809引腳如圖所示。第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)22第22頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第10章4.ADC0809與微機接口A/D轉(zhuǎn)換芯片一般都具有數(shù)據(jù)輸出、啟動轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換結(jié)束、時鐘和參考電平等引腳。ADC芯片與主機的連接就是處理這些引腳的連接問題。根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)字輸出端是否帶有三態(tài)鎖存緩沖器，與主機的連接可以分為兩種方式：第一種是直接相連，主要用于輸出帶有三態(tài)鎖存緩沖器的ADC芯片，如ADC0809、AD574等；第二種是用三態(tài)鎖存器，如74LS373/374，或通用并行接口芯片，如Intel8255，適用于不帶三態(tài)鎖存緩沖器的ADC芯片。模擬量輸入/輸出接口技術(shù)23第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月10.3模擬接口應用實例設計并分析一個在PC機ISA擴展槽上采用中斷方式進行8路數(shù)據(jù)采集和單通道模擬量輸出的接口電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求采用ADC0809及DAC0832構(gòu)建一個通用的8位A/D輸入、D/A輸出的采集卡，利用PC微機系統(tǒng)的IRQ2信號作為ADC的外部中斷信號，使ADC的8個通道循環(huán)采集，每個通道采樣100次，采集的數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存，并在屏幕上顯示結(jié)果。第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)24第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月主要設計工作如下：（1）根據(jù)要求畫出實現(xiàn)該系統(tǒng)功能的電路原理圖，如圖10-14所示。（2）設計中斷控制位控制ADC0809的EOC中斷申請，CPU寫入中斷口9FH的數(shù)據(jù)為0時，不允許EOC申請中斷，寫數(shù)據(jù)80H時允許EOC申請中斷。第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)25第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）相關(guān)的控制端口地址設計為：ADC0809讀數(shù)據(jù)端口地址1FH；ADC0809啟動轉(zhuǎn)換端口地址3FH；通道地址由數(shù)據(jù)總線的低3位D2～D0編碼產(chǎn)生，口地址也為3FH；DAC0832使能地址5FH；中斷申請端口地址9FH；地址譯碼功能由74LS138譯碼器和相關(guān)門電路完成。（4）由于D/A變換程序比較簡單，只需向5FH端口寫一個數(shù)據(jù)就可以了，所以下面程序是為進行A/D變換的數(shù)據(jù)采集程序。程序中對8個通道采集數(shù)據(jù)，每個通道采集數(shù)據(jù)100個，數(shù)據(jù)放在BUFF開始的存儲區(qū)。第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)26第26頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第10章模擬量輸入/輸出接口技術(shù)圖10-148位數(shù)據(jù)采集電路27第27頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第10章DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，直接輸出電流量，若片內(nèi)有輸出放大器，則能輸出電壓量，并能實現(xiàn)單極性或雙極性電壓輸出。D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，一般其電流建立時間為1μs。ADC0809是逐次逼近型8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，片內(nèi)有8路模擬開關(guān)，可以同時連接8路模擬量，單極性，量程為0～5V，典型的轉(zhuǎn)換速度為100μs，片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與CPU總線連接。本章小結(jié)28第28頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月實際應用中，A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的選擇要考慮轉(zhuǎn)換精