第13章 模拟量输入输出通道.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,13,章,模拟量输入,/,输出通道,模拟量与数字量,数字量,时间和数值上都离散的量,模拟,/,数字转换器,ADC,DAC,数字,/,模拟转换器,模拟量,连续变化的物理量,13.1,模拟输入输出系统,数字信号,模拟信号,现场信号,1,现场信号,2,现场信号,n,微型,计算机,放大器,放大器,放大器,多,路,开,关,低通滤波,传感器,低通滤波,传感器,低通滤波,传感器,A/D,转换器,采样保持器,数字信号,受控对象,控制信号,模拟信号,D/A,转换器,放大驱动电路,传感器,将各种现场的物理量测量出来,并转换成电信号（模拟电压或电流）,放大器,把传感器输出的信号放大到,ADC,所需,的量程范围,低通滤波器,用于降低噪声、滤去高频干扰，,以增加信噪比,多路开关,把多个现场信号分时地接通到,A/D,转换器,采样保持器,周期性地采样连续信号，,并在,A/D,转换期间保持不变,13.2 D/A,转换器,DAC,数字,/,模拟转换器,模拟量,数字量,13.2.1 D/A,转换的基本原理,数字量,按权相加,模拟量,1101B,12,3,12,2,02,1,12,0,13,D/A,转换器的原理图,（,1,）,Iout2,Iout1,Rfb,Rfb,Vout,+,_,I,1,S1,D,1,c,2R,R,I,2,S2,D,2,b,2R,R,I,0,S0,D,0,d,2R,2R,R,I,3,S3,D,3,a,2R,V,REF,电阻网络,基准电压,电子开关,D/A,转换器的原理图,（,2,）,Iout2,Iout1,Rfb,Rfb,Vout,+,_,I,1,S1,D,1,c,2R,R,I,2,S2,D,2,b,2R,R,I,0,S0,D,0,d,2R,2R,R,I,3,S3,D,3,a,2R,V,REF,阻抗,2R,运算放大器,虚地,D/A,转换器的原理图,（,3,）,Va,V,REF,Vb,V,REF,/2,Vc,V,REF,/4,Vd,V,REF,/8,I,0,Vd/2R,V,REF,/,（,82R,）,I,1,Vd/2R,V,REF,/,（,42R,）,I,2,Vd/2R,V,REF,/,（,22R,）,I,3,Vd/2R,V,REF,/,（,12R,）,D/A,转换器的原理图,（,4,）,Iout1,I,0,I,1,I,2,I,3,V,REF,/2R,（,1/8,1/4,1/2,1,）,Rfb,R,Vout,Iout1Rfb,V,REF,（,2,0,2,1,2,2,2,3,）,/2,4,Vout,（,D/2,n,）,V,REF,13.2.2 DAC0832,芯片,DAC0832,是典型的,8,位电流输出型通用,DAC,芯片,DAC0832,的内部结构,LE2,LE1,Rfb,AGND,DAC0832,Vcc,ILE,V,REF,输入,寄,存,器,DGND,DI0,DI7,D/A,转,换,器,DAC,寄,存,器,Iout2,Iout1,CS,WR1,WR2,XFER,1.DAC0832,的数字接口,8,位数字输入端,DI0,DI7,（,DI0,为最低位）,输入寄存器（第,1,级锁存）的控制端,ILE,、,CS,、,WR1,DAC,寄存器（第,2,级锁存）的控制端,XFER,、,WR2,直通锁存器的工作方式,两级缓冲寄存器都是直通锁存器,LE,1,，直通（输出等于输入）,LE,0,，锁存（输出保持不变）,LE2,LE1,DAC0832,输入,寄,存,器,DI0,DI7,D/A,转,换,器,DAC,寄,存,器,Iout1,DAC0832,的工作方式：直通方式,LE1,LE2,1,输入的数字数据直接进入,D/A,转换器,LE2,LE1,DAC0832,输入,寄,存,器,DI0,DI7,D/A,转,换,器,DAC,寄,存,器,Iout1,DAC0832,的工作方式：单缓冲方式,LE1,1,，或者,LE2,1,两个寄存器之一始终处于直通状态,另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）,LE2,LE1,DAC0832,输入,寄,存,器,DI0,DI7,D/A,转,换,器,DAC,寄,存,器,Iout1,DAC0832,的工作方式：双缓冲方式,两个寄存器都处于受控（缓冲）状态,能够对一个数据进行,D/A,转换的同时；输入另一个数据,LE2,LE1,DAC0832,输入,寄,存,器,DI0,DI7,D/A,转,换,器,DAC,寄,存,器,Iout1,2.DAC0832,的模拟输出,Iout1,、,Iout2,电流输出端,Rfb,反馈电阻引出端（电阻在芯片内）,V,REF,参考电压输入端,10V,10V,AGND,模拟信号地,V,CC,电源电压输入端,5V,15V,DGND,数字信号地,单极性电压输出,Vout,Iout1Rfb,（,D/2,8,）,V,REF,Rfb,Iout2,Iout1,Vout,+,_,AGND,A,DI,V,REF,单极性电压输出：例子,设,V,REF,5V,D,FFH,255,时，最大输出电压：,Vmax,（,255/256,）,5V,4.98V,D,00H,时，最小输出电压：,Vmin,（,0/256,）,5V,0V,D,01H,时，一个最低有效位（,LSB,）电压：,V,LSB,（,1/256,）,5V,0.02V,Vout,（,D/2,n,）,V,REF,双极性电压输出：电路,R,1,（,R,）,R,3,（,2R,）,R,2,（,2R,）,Rfb,Iout2,Iout1,AGND,DI,V,REF,Vout1,+,_,A1,Vout2,+,_,A2,I,1,I,2,I,1,I,2,0,双极性电压输出：公式,取,R,2,R,3,2R,1,得,Vout,2,（,2Vout,1,V,REF,）,因,Vout1,（,D/2,8,）,V,REF,故,Vout2,（,D,2,7,）,/2,7,）,V,REF,双极性电压输出：例子,设,V,REF,5V,D,FFH,255,时，最大输出电压：,Vmax,（,255,128,）,/1285V,4.96V,D,00H,时，最小输出电压：,Vmin,（,0,128,）,/1285V,5V,D,81H,129,时，一个最低有效位电压：,V,LSB,（,129,128/1285V,0.04V,Vout,（,D,2,7,）,/2,7,）,V,REF,3.,输出精度的调整,Rfb,Iout2,Iout1,Vout,+,_,AGND,调零,电位器,调满刻度,电位器,电源,5V,A,DI,10K,1M,1K,V,REF,4.,地线的连接,DGND,AGND,模拟电路,数字电路,ADC,DAC,模拟电路,数字电路,模拟地,数字地,公共接地点,13.2.3 DAC,芯片与主机的连接,DAC,芯片相当于一个“输出设备”，至少需要一级锁存器作为接口电路,考虑到有些,DAC,芯片的数据位数大于主机数据总线宽度，所以分成两种情况：,1.,主机位数等于或大于,DAC,芯片位数,2.,主机位数小于,DAC,芯片位数,1.,主机位数大于或等于,DAC,芯片的连接,mov,al,buf,mov,dx,portd,out,dx,al,译码,AB,D,0,D,7,CLK,DAC,Vout,+,_,A,LS273,IOW,DAC0832,单缓冲方式,WR1,CS,IOW,5V,+5V,Rfb,Iout2,Iout1,WR2,XFER,DGND,AGND,D,0,D,7,DI0,D17,Vcc,ILE,V,REF,Vout,+,_,A,译码,AB,2.,主机位数小于,DAC,芯片的连接,数字数据需要多次输出,接口电路也需要多个（级）锁存器保存多次输出的数据,并需要同时将完整的数字量提供给,DAC,转换器,CPU,DAC,8,位,12,位,两级锁存电路,模拟输出,12,位,DAC,第,2,级,12,位锁存控制,第,1,级低,8,位锁存控制,第,1,级高,4,位锁存控制,D,0,D,7,4,位,锁存器,4,位,锁存器,8,位,锁存器,8,位,锁存器,由同一个信号控制,关键的一级锁存,无需输出数据,简化的两级锁存电路,模拟输出,12,位,DAC,第,2,级,12,位锁存控制,第,1,级低,8,位锁存控制,D,0,D,7,4,位,锁存器,8,位,锁存器,8,位,锁存器,由同一个信号控制,关键的一级锁存,需要输出高,4,位数据,mov,dx,port1,mov,al,bl,out,dx,al,mov,dx,port2,mov,al,bh,out,dx,al,13.2.4 DAC,芯片的应用,mov,dx,portd,mov,al,0,repeat:out,dx,al,inc,al,jmp,repeat,输出正向锯齿波,2,次数据输出的时间间隔,0,2LSB,1LSB,255LSB,254LSB,锯齿波周期,13.3 A/D,转换器,模拟量,数字量,模拟,/,数字转换器,ADC,13.3.1 A/D,转换的基本原理,存在多种,A/D,转换技术，各有特点，分别应用于不同的场合,4,种常用的转换技术,计数器式,逐次逼近式,双积分式,并行式,1.,计数器式,以最低位为增减量,单位的逐步计数法,时钟,复位,数字输出,比较器,模拟输入,计数器,D/A,转换器,转换结束,2.,逐次逼近式,从最高位开始,的逐位试探法,时钟,复位,数字输出,转换结束,比较器,模拟输入,寄存器,D/A,转换器,3.,双积分式,两个积分阶段,实质是电压,/,时间变换,I,REF,Iin,Vin,V,REF,积分器,比较器,V/I,V/I,时钟,启动计数,计数器,数字输出,T2,T1,Vc,固定斜率,时间可变,固定时间,斜率可变,转换结束,4.,并行式,速度快成本高,直接比较法,编,码,电,路,Vin,V,REF,数字输出,比较器,R,R,R,R,R,R,R/2,R/2,13.3.2 ADC0809,芯片,具有,A/D,转换的基本功能,CMOS,工艺制作,8,位逐次逼近式,ADC,转换时间为,100,s,包含扩展部件,多路开关,三态锁存缓冲器,ADC0809,的内部结构图,ADC0809,地址锁存,和译码,OE,通道,选择,开关,ADDA,ADDB,ADDC,1N0,IN1,IN2,IN3,IN4,IN5,IN6,IN7,8,位,三态,锁存,缓冲器,DAC,Vcc,比较器,CLOCK,START,GND,V,REF(+),V,REF(-),ALE,逐次逼近,寄存器,SAR,定时和控制,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,EOC,1.ADC0809,的模拟输入,提供一个,8,通道的多路开关和寻址逻辑,IN0,IN7,：,8,个模拟电压输入端,ADDA,、,ADDB,、,ADDC,：,3,个地址输入线,ALE,：,地址锁存允许信号,ALE,的上升沿用于锁存,3,个地址输入的状态，然后由译码器从,8,个模拟输入中选择一个模拟输入端进行,A/D,转换,2.ADC0809,的转换时序,D,0,D,7,OE,EOC,START/ALE,ADDA/B/C,DATA,100,s,2,s+8T,(,最大,),200ns,(,最小,),转换启动信号,转换结束信号,3.ADC0809,的数字输出,ADC0809,内部锁存转换后的数字量,具有三态数字量输出端,D,0,D,7,配合输出允许信号,OE,当输出允许信号,OE,为高电平有效时，将三态锁存缓冲器的数字量从,D,0,D,7,输出,4.ADC0809,的转换公式,输入模拟电压,输出数字量,基准电压,正,极,基准电压,负,极,单极性转换示例,基准电压,V,REF(+),5V,，,V,REF(,),0V,输入模拟电压,V,in,1.5V,N,（,1.5,0,）,（,5,0,）,256,76.877,4DH,双极性转换示例,基准电压,V,REF(+),5V,，,V,REF(,),5V,输入模拟电压,V,in,1.5V,N,（,1.5,5,）,（,5,5,）,256,89.690,5AH,13.3.3 ADC,芯片与主机的连接,ADC,芯片相当于“输入设备”，需要接口电路提供数据缓冲器,主机需要控制转换的启动,主机还需要及时获知转换是否结束，并进行数据输入等处理,1.,数据输出线的连接,与主机的连接可分成两种方式,直接相连,：用于输出带有三态锁存器的,ADC,芯片,通过三态锁存器相连,：适用于不带三态锁存器的,ADC,芯片，也适用带有三态锁存缓冲器的芯片,ADC,芯片的数字输出位数大于系统数据总线位数，需把数据分多次读取,2.A/D,转换的启动,（,1,）,启动信号一般有两种形式,脉冲信号启动转换,电平信号启动转换,转换启动,转换结束,2.A/D,转换的启动,（,2,）,主机产生启动信号有两种方法,编程启动,软件上，执行一个输出指令,硬件上，利用输出指令产生,ADC,启动脉冲，或产生一个启动有效电平,定时启动,启动信号来自定时器输出,3.,转换结束信号的处理,不同的处理方式对应程序设计方法不同,查询方式,把结束信号作为状态信号,中断方式,把结束信号作为中断请求信号,延时方式,不使用转换结束信号,DMA,方式,把结束信号作为,DMA,请求信号,13.3.4 ADC,芯片的应用,例,13.2,编程启动、转换结束中断处理,例,13.3,编程启动、转换结束查询处理,中断方式,D,0,D,7,220h,IRQ,2,A,0,A,9,译码,Vcc,D,0,D,7,EOC,ADDA,ADDB,ADDC,ALE,模拟输入,（,0,5V,）,500KHz,CLOCK,V,REF(+),+5V,IN0,OE,START,GND,V,REF(-),IOR,IOW,主程序,;,数据段,adtemp,db 0;,给定一个临时变量,;,代码段,;,设置中断向量等工作,sti,;,开中断,mov,dx,220h,out,dx,al,;,启动,A/D,转换,;,其他工作,例,13.2,中断服务程序,adint,proc,sti,;,开中断,push ax;,保护寄存器,push,dx,push,ds,mov,ax,segdata,;,设置数据段,DS,mov,ds,ax,mov,dx,220h,in,al,dx,;,读,A/D,转换的数字量,mov,adtemp,al,;,送入缓冲区,例,13.2,中断服务程序,mov,al,20h;,发送,EOI,命令,out 20h,al,pop,ds,;,恢复寄存器,pop,dx,pop ax,iret,;,中断返回,adint,endp,例,13.2,查询方式,8,通道,模拟输入,（,0,5V,）,Vcc,D,7,A,3,A,9,D,0,D,7,D,0,D,7,OE,EOC,A,0,A,1,A,2,ADDA,ADDB,ADDC,译码,500KHz,CLOCK,START,GND,V,REF(+),V,REF(-),ALE,+5V,IN0,IN1,IN2,IN3,IN4,IN5,IN6,IN7,220h,227h,238h,23fh,IOR,IOW,启动转换,;,数据段,counter,equ,8,buf,db counter dup(0);,数据缓冲区,;,代码段,mov,bx,offset,buf,mov,cx,counter,mov,dx,220h,;,从,IN0,开始转换,start1:,out,dx,al,;,启动,A/D,转换,push,dx,例,13.3,查询读取,mov,dx,238h,;,查询是否转换结束,start2:,in,al,dx,;,读入状态信息,test al,80h;D,7,1,，转换结束否,?,jz,start2;,没有结束，继续查询,pop,dx,;,转换结束,in,al,dx,;,读取数据,mov,bx,al,;,存入缓冲区,inc,bx,inc,dx,loop start1;,转向下一个模拟通道,例,13.3,第,12,章教学要求,1.,了解模拟输入输出系统及各部件功能,2.,理解,D/A,转换和,A/D,转换原理,3.,掌握,DAC0832,和,ADC0809,4.,理解,DAC,和,ADC,芯片与主机连接问题,5.,掌握,ADC,芯片的应用,