第13章模擬輸入輸出技術(shù)課件

模擬量與數(shù)字量模擬量——連續(xù)變化的物理量數(shù)字量——時(shí)間和數(shù)值上都離散的量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADCDAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器模擬量與數(shù)字量模擬量——連續(xù)變化的物理量數(shù)字量——時(shí)間和數(shù)值13.1模擬輸入輸出系統(tǒng)傳感器將各種現(xiàn)場的物理量測量出來并轉(zhuǎn)換成電信號（模擬電壓或電流）

放大器把傳感器輸出的信號放大到ADC所需的量程范圍低通濾波器用于降低噪聲、濾去高頻干擾，以增加信噪比13.1模擬輸入輸出系統(tǒng)傳感器放大器低通濾波器13.2數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器或D/A轉(zhuǎn)換器（DigitaltoAnalogConverter），簡稱DAC。D是輸入n位的數(shù)字量，Vo是輸出的模擬量，VREF是參考電壓（又稱基準(zhǔn)電壓），它通常是一個(gè)恒定的模擬量。三者之間滿足以下的關(guān)系：Vo=K×D×VREF （13.1）式中，K是常數(shù)，不同類型的D/A轉(zhuǎn)換器對應(yīng)各自的K值。假設(shè)D=Dn-1×2n-1+Dn-2×2n-2+…+D0×20= （13.2）將式（13.2）代入式（13.1），得Vo=K×VREF× （13.3）說明了D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量和輸出模擬量之間滿足正比關(guān)系。13.2數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的器件13.2.1D/A轉(zhuǎn)換原理常用的D/A轉(zhuǎn)換器可分為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC和電流激勵(lì)型DAC等。13.2.1D/A轉(zhuǎn)換原理常用的D/A轉(zhuǎn)換器可分為二．倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)式D/A轉(zhuǎn)換器二．倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)式D/A轉(zhuǎn)換器13.2.2D/A主要性能指標(biāo)1．DAC分辨率DAC分辨率是指最小輸出電壓VLSB和滿量程輸出電壓VFSR之比。n位二進(jìn)制D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率一般用2-n來表示。

2．DAC轉(zhuǎn)換精度DAC轉(zhuǎn)換精度是指實(shí)際轉(zhuǎn)換得到的輸出值與理論值之間的誤差程度，可分為絕對精度和相對精度兩種衡量標(biāo)準(zhǔn)。絕對精度是指每個(gè)輸出值接近理論值的程度。相對精度一般用絕對精度相對于滿度量程輸出的百分比表示。3．DAC建立時(shí)間建立時(shí)間是指DAC輸出電壓到達(dá)規(guī)定范圍（終值的1/2最低有效位）時(shí)所需要的時(shí)間。建立時(shí)間越短越好。13.2.2D/A主要性能指標(biāo)DAC芯片DAC0832是典型的8位電流輸出型典型DAC芯片DAC0832是典型的8位電流輸出型典型1.DAC0832的數(shù)字接口8位數(shù)字輸入端DI0～DI7（DI0為最低位）輸入寄存器（第1級鎖存）的控制端ILE、CS*、WR1*DAC寄存器（第2級鎖存）的控制端XFER*、WR2*1.DAC0832的數(shù)字接口8位數(shù)字輸入端直通鎖存器的工作方式兩級緩沖寄存器都是直通鎖存器LE＝1，直通（輸出等于輸入）LE＝0，鎖存（輸出保持不變）LE2LE1DAC0832輸入鎖存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC鎖存器Iout1直通鎖存器的工作方式兩級緩沖寄存器都是直通鎖存器LE2LE1DAC0832的工作方式：直通方式LE1＝LE2＝1輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：直通方式LE1＝LE2＝1LE2LDAC0832的工作方式：單緩沖方式LE1＝1，或者LE2＝1兩個(gè)寄存器之一始終處于直通狀態(tài)另一個(gè)寄存器處于受控狀態(tài)（緩沖狀態(tài)）LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：單緩沖方式LE1＝1，或者LE2＝DAC0832的工作方式：雙緩沖方式兩個(gè)寄存器都處于受控（緩沖）狀態(tài)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)LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：雙緩沖方式兩個(gè)寄存器都處于受控（緩2.DAC0832的模擬輸出Iout1、Iout2——電流輸出端Rfb——反饋電阻引出端（電阻在芯片內(nèi)）VREF——參考電壓輸入端＋10V～－10VAGND——模擬信號地VCC——電源電壓輸入端＋5V～＋15VDGND——數(shù)字信號地2.DAC0832的模擬輸出Iout1、Iout2——電流3.地線的連接3.地線的連接三、DAC0832的模擬輸出方式（1）單極性輸出數(shù)字量經(jīng)過DAC0832轉(zhuǎn)換之后直接得到的輸出信號是模擬電流IOUT1和IOUT2，若要得到電壓輸出，應(yīng)加一級運(yùn)算放大器，此時(shí)是單極性的電壓輸出，即輸出電壓為0~-5V（VREF接+5V）或0~-10V（VREF接10V），若要形成正電壓輸出，則VREF需接負(fù)電壓。三、DAC0832的模擬輸出方式（1）單極性輸出（2）雙極性輸出若要進(jìn)一步得到雙極性的電壓輸出，即輸出電壓為-VREF~+VREF，還應(yīng)引入電壓偏移電路。（2）雙極性輸出13.2.4 D/A轉(zhuǎn)換接口技術(shù)數(shù)字量經(jīng)過CPU處理之后，需由D/A轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。由于集成DAC內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，有的DAC內(nèi)部帶有鎖存器，有的則不帶有鎖存器。如果有鎖存器，連接CPU與轉(zhuǎn)換器相對比較簡單，而如果沒有鎖存器，則應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)耐獠挎i存器，如74LS373，74LS273等然后再與系統(tǒng)總線相連。一、有輸入鎖存器D/A與PC機(jī)的連接這類D/A器件可以直接和PC機(jī)的數(shù)據(jù)總線連接，如DAC0832芯片內(nèi)部自帶有兩級鎖存器，而這里采用單緩沖方式，即第一級輸入鎖存器鎖存，第二級D/A鎖存器直通。由外部控制信號直接控制輸入鎖存器的鎖存。片選信號由地址譯碼后產(chǎn)生。13.2.4 D/A轉(zhuǎn)換接口技術(shù)數(shù)字量經(jīng)過CPU處理之后，需【例13.1】假設(shè)DAC0832工作在單緩沖方式下，單極性輸出，端口地址為350H，VREF=-5V，現(xiàn)利用該轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一個(gè)如圖所示的三角波。首先確定上、下限所對應(yīng)的數(shù)字量。根據(jù)計(jì)算可得輸出電壓的上、下限所對應(yīng)的數(shù)字量分別為：上限：Dup=3×28/5=153.6=99H下限：Ddowm=1×28/5=51.2=33H【例13.1】假設(shè)DAC0832工作在單緩沖方式下，單極TRIANGPROC FARMOV DX，350H MOV CX，066H MOV AL，33HZ1： OUT DX，AL ；送D/A輸出，形成上升斜坡 INC AL ；AL加1 LOOP Z1 ；循環(huán)102次 MOV CX，066HZ2： DEC AL OUT DX，AL ；輸出下降斜坡 LOOP Z2 JMP Z1 RETTRIANG ENDPTRIANGPROC FAR輸出正向鋸齒波2次數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間間隔02LSB1LSB255LSB254LSB鋸齒波周期 movdx,portd moval,0repeat: outdx,al incal jmprepeat輸出正向鋸齒波2次數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間間隔02LSB1LSB255二、不帶輸入鎖存器D/A與PC機(jī)的連接這類D/A轉(zhuǎn)換器由于本身不帶有鎖存器，因此在與CPU連接時(shí)，必須外加一個(gè)鎖存器。8位不帶鎖存器DAC0808與系統(tǒng)總線的連接示意圖：外加的鎖存器為74LS273，該芯片利用CLK負(fù)脈沖將輸入端的數(shù)據(jù)鎖存，在輸出端穩(wěn)定出現(xiàn)鎖存時(shí)的數(shù)據(jù)。二、不帶輸入鎖存器D/A與PC機(jī)的連接【例13.2】如圖13.11所示，假設(shè)譯碼器輸出地址為0030H，8位數(shù)字量放在數(shù)據(jù)段的1000H中，將其轉(zhuǎn)換成模擬量的程序片斷如下： MOV BX，1000H MOV DX，0030H MOV AL，[BX] OUT DX，AL ；鎖存到74LS273中，并轉(zhuǎn)換以上討論的均是8位的D/A轉(zhuǎn)換器，對于超過8位的DAC與系統(tǒng)相連時(shí)，需要注意以下兩點(diǎn)：（1）如果CPU外部數(shù)據(jù)總線為8位，則要分兩次送數(shù)據(jù)，帶鎖存的DAC的高位和低8位相連，然后分兩次送數(shù)，編程時(shí)注意高低位的調(diào)整或移位。（2）如果CPU外部數(shù)據(jù)總線為16位或以上，只需將DAC相應(yīng)位與CPU數(shù)據(jù)線連接即可?！纠?3.2】如圖13.11所示，假設(shè)譯碼器輸出地址為012.3A/D轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù)字量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC12.3A/D轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù)字量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器13.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的步驟 一、采樣和保持13.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的步驟 一、采樣和保持二、量化和編碼二、量化和編碼13.3.2ADC的主要技術(shù)指標(biāo)1．ADC分辨率是指ADC能夠分辨最小量化信號（輸入最小模擬電壓值）的能力，與數(shù)據(jù)位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多，分辨率越高。對于n位二進(jìn)制的ADC來說，分辨率為：分辨率=滿量程輸入模擬電壓值/2n習(xí)慣上采用位數(shù)表示分辨率:8位、10位、12位、16位等。2．ADC轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是指A/D轉(zhuǎn)換器輸出的理論值與真實(shí)值之間的差值，它可以分為絕對精度和相對精度兩種。絕對精度是指ADC實(shí)際值與理論值之間的最大差值，通常以VLSB或LSB的倍數(shù)來表示。相對精度則是用絕對精度與滿量程輸出比值，通常用滿量程FSR（VFSR或IFSR）的百分?jǐn)?shù)來表示。3．ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要時(shí)間。13.3.2ADC的主要技術(shù)指標(biāo)1．ADC分辨率13.3.3ADC工作原理存在多種A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，各有特點(diǎn)，分別應(yīng)用于不同的場合3種常用的轉(zhuǎn)換技術(shù)并行高速式雙積分式逐次比較式13.3.3ADC工作原理存在多種A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，各有特1.并行式編碼電路VinVREF數(shù)字輸出比較器RRRRRRR/2R/2特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度極快，但是當(dāng)該ADC的位數(shù)增加時(shí)所需電壓比較器和數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)目將以幾何級數(shù)增加。僅適用于3、4、5位等的轉(zhuǎn)換，或與逐次比較式ADC混合使用，以提高轉(zhuǎn)換位數(shù)。1.并行式VinVREF數(shù)字輸出比較器RRRRRRR/22.雙積分式兩個(gè)積分階段實(shí)質(zhì)是電壓/時(shí)間變換雙積分式ADC的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，但由于要進(jìn)行兩次積分，因此轉(zhuǎn)換速度低，適用于對速度要求不高的場合，如數(shù)字式測試儀表（三用表）、溫度測量等。2.雙積分式兩個(gè)積分階段雙積分式ADC的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高3.逐次比較式從最高位開始的逐位試探法特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度相對較快，對于n位A/D轉(zhuǎn)換器只需n個(gè)時(shí)鐘脈沖即可完成一次轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換精度高，因此在數(shù)字系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。如ADC0809就是8位逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器。3.逐次比較式從最高位開始特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度相對較快，對于n13.3.4 典型ADC芯片ADC0809具有A/D轉(zhuǎn)換的基本功能CMOS工藝制作8位逐次比較式ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s包含擴(kuò)展部件多路開關(guān)三態(tài)鎖存緩沖器13.3.4 典型ADC芯片ADC0809具有A/D轉(zhuǎn)換的基ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1.ADC0809的模擬輸入提供一個(gè)8通道的多路開關(guān)和尋址邏輯IN0～I(xiàn)N7：8個(gè)模擬電壓輸入端ADDA、ADDB、A