第8章 模拟量的输入输出.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8章 模拟量的输入输出,模拟量输入输出通道的组成,D/A,转换器、原理、连接及编程,A/D,转换器、原理、连接及编程,本章内容,概述,模拟量,I/O,接口的作用：,实际工业生产环境,连续变化的模拟量,例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量,计算机内部,离散的数字量,二进制数、十进制数,工业生产过程的闭环控制,模拟量,D/A,传感器,执行元件,A/D,数字量,数字量,模拟量,模拟量输入,(,数据采集,),模拟量输出,(,过程控制,),计算机,8.1,模拟量,I/O,通道的组成,模拟接口电路的任务,模拟电路的任务,00101101,10101100,工,业,生,产,过,程,传感器,放大,滤波,多路切换,&,采样保持,A/D,转换,放大,驱动,D/A,转换,输出,接口,微,型,计,算,机,执行机构,输入,接口,物理量,变换,信号,处理,信号,变换,I/O,接口,多路切换,&,低通滤波,输 入 通 道,输 出 通 道,模拟量输入通道,传感器（,Transducer,）,非电量,电压、电流,变送器（,Transformer,）,转换成标准的电信号,信号处理（,Signal Processing,）,放大、整形、滤波,多路转换开关（,Multiplexer,）,多选一，公用一套,A/D,变换器,采样保持电路（,Sample Holder,，,S/H,）,保证变换时信号恒定不变,A/D,变换器（,A/D Converter,）,模拟量转换为数字量,模拟量输出通道,D/A,变换器（,D/A Converter,）,数字量转换为模拟量,低通滤波,平滑输出波形,放大驱动,提供足够的驱动电压，电流,8.2,数,/,模（,D/A,）变换器,8.2.1 D/A,变换器的基本原理及技术指标,组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器,电阻网络：权电阻网络、,T,形电阻网络,如图82所示：,电阻阶梯,D/A,变换原理,运放的开环放大倍数足够大时，输出电压,V,O,与输入电压,V,in,的关系为：,式中：,R,f,为反馈电阻,R,为输入电阻,V,in,R,f,V,O,R,若输入端有,n,个支路,则输出电压,V,O,与输入电压,V,i,的关系为：,式中：,R,i,为第,i,支路的输入电阻,V,in,R,f,V,O,R,1,R,n,令每个支路的输入电阻为,2,i,R,f,并令,V,in,为一基准电压,V,ref,，则有：,如果每个支路由一个开关,S,i,控制，,S,i,=1,表示,S,i,合上，,S,i,=0,表示,S,i,断开，则上式变换为,若,S,i,=1,该项对,V,O,有贡献,若,S,i,=0,该项对,V,O,无贡献,如图84所示：,对应的电路如下,2R,4R,8R,16R,32R,64R,128R256R,V,ref,R,f,V,O,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,与上式相对应的电路如下,(,图中,n=8),：,权电阻网络,如果用,8,位二进制代码来控制图中的,S,1,S,8,(,D,i,=1,时,S,i,闭合；,D,i,=0,时,S,i,断开,),，那么根据二进制代码的不同，输出电压,V,O,也不同，这就构成了,8,位的,D/A,转换器。,可以看出，当代码在,0,FFH,之间变化时，,V,O,相应地在,0,-(255/256),V,ref,之间变化。,R-2R T,形电阻网络,实际的,D/A,转换器常采用,R-2R,梯形电阻网络，它只用两种阻值的电阻,(R,和,2R),。,如图85所示：,D/A,转换器的主要技术指标,分辨率（,Resolution,）：,输入的二进制数每,1,个最低有效位,(LSB),使输出变化的程度。,例：一个满量程为,5V,的,10,位,DAC,，,1,LSB,的变化将使输出变化,5/(2,10,-1)=5/1023=0.04888V=48.88mV,一般用输入数字量的位数来表示,:,如,8,位、,10,位；,或用数字量为1的电压值与数字量为最大时的满量程电压值的比值来表示。,例：分辨率为 1,，,DAC,芯片位数至少是多少？,解：,1/(2,n,-1),1,n,10,作业8.5,作业8.4,D/A,转换器的主要技术指标,转换精度（误差）：,绝对转换精度：实际输出值与理论值之间的最大偏差。,相对转换精度：是绝对转换精度与满量程输出电压值的百分比值。,例：绝对转换精度为,0。05 V；,满量程输出电压值5,V,则：相对转换精度：为,1%,输入最大数字量，从开始转换到与满量程值相差,1/2 LSB,所对应的模拟量所需要的时间,t,V,1/2 LSB,t,C,V,FULL,D/A,转换器的主要技术指标,转换时间：,8.2.2,典型,D/A,转换器,DAC0832,特点,：,8,位电流输出型,D/A,转换器,T,型电阻网络,差动输出,引线及内部结构:,见教材,p332,图8-8,DAC0832,引脚功能,D,7,D,0,：输入数据线,ILE,：输入锁存允许,/CS,：片选信号,/WR,1,：写输入锁存器,-上述三个信号用于把数据写入到输入锁存器,/WR,2,：写,DAC,寄存器,/XFER,：允许输入锁存器的数据传送到,DAC,寄存器,-上述二个信号用于启动转换,V,REF,：参考电压，,-10V,+10V,，一般为,+5V,或,+10V,I,OUT1,、,I,OUT2,：,D/A,转换差动电流输出，接运放的输入,R,fb,：内部反馈电阻引脚，接运放输出,AGND,、,DGND,：模拟地和数字地,DAC0832,工作时序,D/A,转换可分为两个阶段：,/CS=0,、/,WR1=0,、,ILE=1,，使输入数据锁存到输入寄存器；,/WR2=0,、/,XFER=0,，数据传送到,DAC,寄存器，并开始转换。,写输入寄存器,写,DAC,寄存器,DAC0832,工作方式,单缓冲方式,使输入锁存器或,DAC,寄存器二者之一处于直通,。,CPU,只需一次写入即开始转换。控制比较简单。,双缓冲方式（标准方式）,转换要有两个步骤：,第一步：将数据写入输入寄存器,/CS=0,、/,WR1=0,、,ILE=1,第二步：将输入寄存器的内容写入,DAC,寄存器,并启动转换,/WR2=0,、/,XFER=0,优点：数据接收与,D/A,转换可异步进行；,可实现多个,DAC,同步转换输出,分时写入,、,同步转换,直通方式,使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终跟随输入变化。,不能直接与数据总线连接,，即不受,CPU,控制。,见教材,p352,图89。,想想：如何接线？,作业8.7,DAC0832,双缓冲方式,同步转换举例,DAC0832,双缓冲方式的程序段示例,本例中三个端口地址的用途：,port1,选择,0832-1,的输入寄存器,port2,选择,0832-2,的输入寄存器,port3,选择,0832-1,和,0832-2,的,DAC,寄存器,MOV AL,，,data,;,要转换的数据送,AL,MOV DX,，,port1,;,0832-1,的输入寄存器地址送,DX,OUT DX,，,AL ;,数据送,0832-1,的输入寄存器,MOV DX,，,port2,;,0832-2,输入寄存器地址送,DX,OUT DX,，,AL ;,数据送,0832-2,的输入寄存器,MOV DX,，,port3,;,DAC,寄存器端口地址送,DX,OUT DX,，,AL ;,数据送,DAC,寄存器，并启动同步转换,HLT,D/A,转换器的应用,函数发生器,只要往,D/A,转换器写入按规律变化的数据，即可在输出端获得正弦波、三角波、锯齿波、方波、阶梯波、梯形波等函数波形。,直流电机的转速控制。,见教材图813。,见参考图,举例：教材例2、例3,教材图812。,8.3,模,/,数（,A/D,）转换器,用途:,将连续变化的模拟信号转换为数字信号，,以便于计算机进行处理。常用于数据采集系统。,类型:,计数型,A/D,变换器,双积分型,A/D,变换器,逐位逼近型,A/D,变换器,8.3.1,工作原理及技术指标,逐次逼近型,A/D,转换器,结构：由,D/A,转换器、比较器、,和逐次逼近寄存器,SAR,组成。,图8-14,见,P337,工作原理,类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称物体。例如：,用,8,个砝码,2,0,g,，,2,1,g,，,，,2,7,g,，可以称出,1,255g,之 间的物体重量。现有一物体，用砝码称出其重量（假定重量为,176g,）。,1,）,ADC,从高到低,逐次给,SAR,的每一位“置,1”,（即加上不同权重的砝码），,SAR,相当于放法码的称盘；,2,）每次,SAR,中的数据经,D/A,转换为电压,V,C,；,3,）,V,C,与输入电压,V,i,比较，若,V,C,V,i,，保持当前位的,1,，否则当前位置,0,；,4,）从高到低逐次比较下去，直到,SAR,的每一位都尝试完；,5,）,SAR,内的数据就是与,V,i,相对应的,2,进制数。,主要技术指标,精度:,分辨率,=,V,max,/,电平数,(,即满量程值,),例：某,8,位,ADC,的满量程电压为,5V,，则其分辨率为,5V/255=19.6mV,转换时间:,转换一次需要的时间。精度越高（字长越长），转换速度越慢。,输入动态范围:,允许转换的电压的范围。如,0,5V,、,0,10V,等。,典型的,A/D,转换器简介,ADC0809,8,通道（,8,路）输入,8,位字长,逐位逼近型,转换时间,100s,内置三态输出缓冲器,外部引脚见教材,p359,ADC0809,引脚功能,D7,D0,：输出数据线（三态）,IN0,IN7,：,8,通道（路）模拟输入,ADDA,、,ADDB,、,ADDC,：通道地址（通道选择）,ALE,：通道地址锁存,START,：启动转换,EOC,：转换结束，可用于查询或作为中断申请,OE,：输出允许（打开输出三态门）,CLK,：时钟输入（,10KHz,1.2MHz,）,V,REF,(+),、,V,REF,(-),：基准参考电压,ADC0809,内部结构,也可参考图8-14,START EOC CLK,OE,D7,D0,VREF(+)VREF(-),ADDC,ADDB,ADDA,ALE,IN0,IN7,比较器,8,路模拟开关,逐位逼近寄存器,SAR,树状开关,电阻网络,三态输出锁存器,时序与控制,地址锁存及,译码,8,位,DAC,8,个模拟输入通道,8,选,1,ADC0809,工作时序,ADC0809,工作过程,根据时序图，,ADC0809,的工作过程如下：,把,通道地址送到,ADDA,ADDC,上,，选择模拟输入；,在通道地址信号有效期间，,ALE,上的,上升沿,该地址锁存到内部地址锁存器；,START,引脚上的,下降沿,启动,A/D,变换；,变换开始后，,EOC,引脚呈现低电平，,EOC,重新变为高电平时表示转换结束；,OE,信号打开,输出锁存器的三态门送出结果。,ADC0809,与系统的连接,多路输入时,ADDC,ADDB,ADDA,IN0,IN1,IN2,IN3,IN4,ADC0809,输入,0,输入,1,输入,2,输入,3,输入,4,CPU,指定,通道号,单路输入时,ADDC,ADDB,ADDA,IN4,ADC0809,输入,+5V,地址线通过一个接口芯片与数据总线连接。,CPU,用一条,OUT,指令把通道地址送给,ADC,0,809,地址线接死.,接口芯片可以选用：,锁存器,74LS273,，,74LS373,，,8255,等,ADDC,ADDB,ADDA,IN0,IN1,IN2,IN3,IN4,ADC0809,输,入,DB,74LS273,Q2,Q1,Q0,CP,来自,I/O,译码,D0-D7,ADDC,ADDB,ADDA,IN0,IN1,IN2,IN3,IN4,ADC0809,DB,8255,PB2,PB1,PB0,CS#,来自,I/O,译码,D0,-D7,A1,A0,A1,A0,ADC0809,地址线,ADDAADDC,DB,74LS244,G,来自,I/O,译码,D0-D7,PA0,-PA7,ADC0809,数据输出线,D0D7,内部已接有三态门，故可直接连到,DB,上,也可另外通过一个输入接口与,DB,相连,D0-D7,ADC0809,DB,OE,来自,I/O,译码,D0-D7,ADC0809,DB,OE,来自,I/O,译码,(直接连,DB,),(通过输入接口连,DB,),74LS244,+5V,DI,DO,E1#,E2#,两种连接方法：,ADC0809,ALE,START,独立连接,来自,I/O,译码,1,来自,I/O,译码,2,ADC0809,ALE,START,统一连接,来自,I/O,译码,ADC0809,地址锁存,ALE,和启动转换,START,转换结束,EOC,软件延时等待,(,比如延时,1ms),不用,EOC,信号,CPU,效率最低,软件查询,EOC,状态,EOC,通过一个三态门连到数据总线的,D,0,(,其他也可以,),三态门要占用一个,I/O,端口地址，,CPU,效率低,把,EOC,作为中断申请信号，接到,8259,的,IRi,端,在中断服务程序中读入转换结果，效率高,几个连接实例,图8-19,图8-20,送通道号地址和指令？,启动转换地址和指令？,查询状态地址和指令？如何判状态？,读,A/D,转换值地址和指令？,多个模拟通道时，程序怎样编写？,请同学们根据图分析：,