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1、模拟量输入输出接口技术1第1页，本讲稿共30页10.1 典型典型D/A转换器芯片转换器芯片 控制系统中传感器所检测的信号如温度、压力、流量、速度、湿度等物理量都是随着时间连续变化的模拟量，为了能用计算机对模拟量进行采集、加工和输出，就需要把模拟量转换成便于计算机存储和加工的数字量（称为A/D转换）；同样经过计算机处理后的数字量必须转换成模拟量（称为D/A转换）才能控制外部设备。我们把能实现A/D与D/A转换的相关器件集中做在一块接口电路板上，称为模拟量输入/输出通道。它主要由传感器、A/D转换器、信号处理部件、多路开关、采样/保持器、D/A转换器等部件组成。第第10章章模拟量输入模拟量输入/输
2、出接口技术输出接口技术2第2页，本讲稿共30页 10.1.1 D/A转换器的工作原理和主要参数 D/A转换器是用电阻解码网络将N位数字量逐位转换成模拟量并求和实现将N位数字量转化为模拟量。1.D/A转换器的工作原理 D/A转换器的模拟量输出与参考量以及二进制数成比例关系，可用下面的式子表示：其中X为模拟量输出，K为比例常数，VREF为参考量（电压或电流），B为待转换的二进制数，通常B的位数为8位、12位等。第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术3第3页，本讲稿共30页第第10章章（1）二进制加权电阻D/A转换器：其结构如图10-1所示。该电路由权电阻、位切换开关、反馈电阻和
3、运算放大器等组成。模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术图10-1 二进制加权电阻D/A转换器4第4页，本讲稿共30页第第10章章（2）梯形电阻D/A转换器：如图10-2所示，该电阻网络中仅有R和2R两种电阻，切换开关的工作原理与二进制加权电阻网络D/A转换工作原理相同。模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术图10-2 梯形电阻D/A转换器的结构5第5页，本讲稿共30页2.D/A转换器的主要参数（1）精度：指D/A转换器的实际输出与理论满刻度输出之间的差异。（2）分辨率：指当输入数字量发生单位数码变化时所对应的输出模拟量的变化量。（3）建立时间：指当D/A转换器的输入数据发生变
4、化后，输出模拟量达到稳定数值所需要的时间。（4）温度系数：环境温度的变化会对D/A转换精度产生影响，分别用失调温度系数、增益温度系数和微分非线性温度系数来表示。（5）非线性误 第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术6第6页，本讲稿共30页 10.1.2 DAC0832及其应用 DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片，其明显特点是与微机连接简单、转换控制方便、价格低廉，在微机系统中得到了广泛的应用。D/A转换器的输出一般都要接运算放大器，微小信号经放大后才能驱动执行机构的部件。AC0832的主要技术指标有：分辨率为8位；转换速度约为1s；非线性误差为 0.20%FSR
5、；温度系数为210-6/；工作方式为双缓冲、单缓冲和直通方式；逻辑输入与TTL电平兼容；功耗为20mW；单电源供电。第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术7第7页，本讲稿共30页1.DAC0832的内部结构 DAC0832的内部结构框图如图10-3所示，它由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位DAC转换器及转换控制电路构成，DAC转换器采用梯型电阻网络。第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术8第8页，本讲稿共30页第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术图10-3 DAC0832的内部结构9第9页，本讲稿共30页第第10章章2.DAC
6、0832的引脚功能 DAC0832为20脚双列直插式封装，如图所示。模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术10第10页，本讲稿共30页第第10章章3.DAC0832的工作方式 DAC0832内部有两个寄存器，能实现3种工作方式：（1）直通方式（2）单缓冲方式（3）双缓冲方式4.DAC0832的输出 DAC0832是电流形式输出，当需要电压形式输出时，必须外接运算放大器。如图10-5所示。模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术11第11页，本讲稿共30页第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术（a）反相输出 （b）同相输出图10-5 DAC0832的输出12第1
7、2页，本讲稿共30页 5.DAC0832芯片与微机接口电路的设计 选择和使用D/A转换器时要注意以下几点：（1）合理选择DAC芯片。（2）设计和连接接口（3）配置参考电源 DAC芯片作为一个输出设备接口电路，与主机的连接比较简单，主要是处理好数据总线的连接。第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术13第13页，本讲稿共30页10.2 典型典型A/D转换器芯片转换器芯片10.2.1 A/D转换器工作原理和主要参数1.A/D转换器的分类及工作原理 按照输入模拟量的极性分类，A/D转换器可以分为单极型和双极型两种；按照输出数字量分类，可以有并行方式、串行方式及串/并行方式；按照A/
8、D转换器的转换原理分类，可以分为积分型、逐次逼近型和并行转换型。逐次逼近型A/D转换器如图10-9所示。第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术14第14页，本讲稿共30页第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术图10-9逐次逼近型A/D转换器15第15页，本讲稿共30页 逐次逼近型A/D转换器的主要特点是：转换速度较快，转换时间在1100s以内，分辨率可达18位，特别适用于高精度和高频信号的A/D转换；转换时间固定，不随输入信号的大小而变化；抗干扰能力不如双积分型A/D转换器，需要采取适当的滤波措施。这类典型芯片主要有ADC0809、ADCl210、AD5
9、74等。第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术16第16页，本讲稿共30页2.A/D转换器的主要性能参数（1）分辨率：反映A/D转换器对输入微小变化的响应能力。（2）精度：采用绝对误差和相对误差两种方法来表示。（3）转换时间：指完成一次A/D转换所需要的时间。（4）温度系数：是表示A/D转换器受环境温度影响的程度。（5）量程：指所能转换的模拟输入电压范围，分单极性、双极性两种类型。（6）逻辑电平及方式：多数A/D转换器输出的数字信号与TTL电平兼容，以并行方式输出。（7）工作温度范围：一般为070。第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术17第17页，本讲
10、稿共30页第第10章章10.2.2 ADC0809转换器及其应用 逐次逼近式A/D转换器ADC0809片内有8路模拟开关，可以同时连接8路模拟量，单极性，量程为05V，片内有三态输出缓冲器，可以直接与微机总线相连接。该芯片有较高的性能价格比，适用于对精度和采样速度要求不高的场合或一般的工业控制领域。由于其价格低廉，便于与微机连接，因而应用十分广泛。模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术18第18页，本讲稿共30页1.ADC0809的结构及工作原理 ADC0809采用单一的十5V电源供电，外接工作时钟为500kHz时，转换时间大约为128ms，工作时钟为640kHz时，转换时间大约为10
11、0ms。ADC0809的逻辑结构如图10-10所示，其内部由256R电阻分压器、树状模拟开关、电压比较器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。其基本工作原理是采用对分搜索方法逐次比较，找出最逼近于输入模拟量的数字量。第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术19第19页，本讲稿共30页第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术图 10-10 ADC0809的逻辑结构20第20页，本讲稿共30页第第10章章2.ADC0809主要技术指标分辨率为8位；非调整误差为1 LSB；增益温度系数为0.02；低功耗电量，为20mW；单电源+5 V供电；转换速度1s，转换时
12、间100s（时钟频率640 Hz）；具有锁存控制功能的8路模拟开关，能对8路模拟电压信号进行转换；输出电平与TTL电平兼容。模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术21第21页，本讲稿共30页3.ADC0809的引脚功能ADC0809引脚如图所示。第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术22第22页，本讲稿共30页第第10章章4.ADC0809与微机接口 A/D转换芯片一般都具有数据输出、启动转换、转换结束、时钟和参考电平等引脚。ADC芯片与主机的连接就是处理这些引脚的连接问题。根据A/D转换芯片的数字输出端是否带有三态锁存缓冲器，与主机的连接可以分为两种方式：第一种是
13、直接相连，主要用于输出带有三态锁存缓冲器的ADC芯片，如ADC0809、AD574等；第二种是用三态锁存器，如74LS373/374，或通用并行接口芯片，如Intel 8255，适用于不带三态锁存缓冲器的ADC芯片。模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术23第23页，本讲稿共30页 10.3 模拟接口应用实例模拟接口应用实例 设计并分析一个在PC机ISA扩展槽上采用中断方式进行8路数据采集和单通道模拟量输出的接口电路系统。该系统要求采用ADC0809及DAC0832构建一个通用的8位A/D输入、D/A输出的采集卡，利用PC微机系统的IRQ2信号作为ADC的外部中断信号，使ADC的8个通
14、道循环采集，每个通道采样100次，采集的数据存放在内存，并在屏幕上显示结果。第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术24第24页，本讲稿共30页主要设计工作如下：（1）根据要求画出实现该系统功能的电路原理图，如图10-14所示。（2）设计中断控制位控制ADC0809的EOC中断申请，CPU写入中断口9FH的数据为0时，不允许EOC申请中断，写数据80H时允许EOC申请中断。第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术25第25页，本讲稿共30页（3）相关的控制端口地址设计为：ADC0809读数据端口地址1FH；ADC0809启动转换端口地址3FH；通道地址由数据
15、总线的低3位D2D0编码产生，口地址也为3FH；DAC0832使能地址5FH；中断申请端口地址9FH；地址译码功能由74LS138译码器和相关门电路完成。（4）由于D/A变换程序比较简单，只需向5FH端口写一个数据就可以了，所以下面程序是为进行A/D变换的数据采集程序。程序中对8个通道采集数据，每个通道采集数据100个，数据放在BUFF开始的存储区。第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术26第26页，本讲稿共30页第第10章章模拟量输入模拟量输入/输出接口技术输出接口技术图10-14 8位数据采集电路27第27页，本讲稿共30页第第10章章 DAC0832是8位D/A转换器
16、，直接输出电流量，若片内有输出放大器，则能输出电压量，并能实现单极性或双极性电压输出。D/A转换器的转换速度较快，一般其电流建立时间为1s。ADC0809是逐次逼近型8位A/D转换芯片，片内有8路模拟开关，可以同时连接8路模拟量，单极性，量程为05V，典型的转换速度为100s，片内有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线连接。本章小结本章小结28第28页，本讲稿共30页 实际应用中，A/D、D/A转换器的选择要考虑转换精度和分辨率满足系统的需求；转换速率要根据被测对象的变化率及转换精度的要求来确定；为保证实时性和采样信号不失真的要求，转换时间必须满足由采样定理所确定的时间；要根据环境条件选择转换芯片的环境参数；在价格差别不大的情况下，应选取既能保证性能，接口设计又最简单的芯片。第第10章章本章小结本章小结29第29页，本讲稿共30页 第第1010章内容到此结束章内容到此结束 谢谢各位谢谢各位!30第30页，本讲稿共30页