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1、模拟输入输出技术本讲稿第一页，共三十八页13.1 模拟输入输出系统模拟输入输出系统A:Analog(模拟量模拟量)D:Digital(数字量数字量)图图图图13.113.1典型微型计算机测控系统典型微型计算机测控系统典型微型计算机测控系统典型微型计算机测控系统 本讲稿第二页，共三十八页13.2 数模（数模（D/A）转换器）转换器输入：输入：D(n位数字量位数字量)说明：说明：输出：输出：VO(模拟量模拟量)VREF：参考电压：参考电压VO=KDVREF其中，其中，K为常数为常数图图图图13.213.2D/AD/A转换器示意转换器示意转换器示意转换器示意本讲稿第三页，共三十八页13.2.1 D/
2、A转换的原理转换的原理D/A转换器的基本组成：转换器的基本组成：电阻（或电容）网络（电阻（或电容）网络（核心核心）模拟切换开关模拟切换开关基准电压基准电压运算放大器运算放大器本讲稿第四页，共三十八页一、一、T型电阻网络型电阻网络DAC图图图图13.313.3T T型电阻网络型电阻网络型电阻网络型电阻网络DACDAC本讲稿第五页，共三十八页通式：通式：叠加原理：叠加原理：假设假设RF=3R：V Vo o=-IR RF F推广到推广到n位：位：本讲稿第六页，共三十八页T形电阻网络形电阻网络DAC的优缺点：的优缺点：优点：优点：电阻的取值只有电阻的取值只有R和和2R两种，易于集成，两种，易于集成，转
3、换精度高。转换精度高。缺点：缺点：当输入数字信号发生变化，使开关变换接当输入数字信号发生变化，使开关变换接 通方向时，流过开关的电流方向发生改通方向时，流过开关的电流方向发生改 变，容易产生毛刺和影响工作速度。变，容易产生毛刺和影响工作速度。改进：改进：倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC本讲稿第七页，共三十八页二、倒二、倒T型电阻网络型电阻网络DAC图图图图13.4 13.4 倒倒倒倒T T型电阻网络型电阻网络型电阻网络型电阻网络DACDAC本讲稿第八页，共三十八页通式：通式：叠加原理：叠加原理：假设假设RF=3R：V Vo=-I=-I R RF F推广到推广到n位：位：本讲稿第九页，共三十八页
4、倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC的优缺点：的优缺点：优点：优点：保证电流始终能以一个方向流过开关，提保证电流始终能以一个方向流过开关，提 高转换精度。高转换精度。缺点：缺点：由于模拟开关的导通电阻和各支路电阻串由于模拟开关的导通电阻和各支路电阻串 联，电阻值将附加在各支路的电阻上，从联，电阻值将附加在各支路的电阻上，从 而降低转换精度。而降低转换精度。改进：改进：电流激励型电流激励型DAC本讲稿第十页，共三十八页13.2.2 DAC的主要性能指标的主要性能指标一、一、一、一、分辨率：分辨率：分辨率：分辨率：最小输出电压最小输出电压最小输出电压最小输出电压V VLSBLSB和满量程输出电压和满量
5、程输出电压和满量程输出电压和满量程输出电压V VFSRFSR之比。之比。之比。之比。最小输出电压：最小输出电压：最小输出电压：最小输出电压：V VLSBLSB 当输入数字量当输入数字量当输入数字量当输入数字量D=0001D=0001时的输出时的输出时的输出时的输出满量程输出电压：满量程输出电压：满量程输出电压：满量程输出电压：V VFSRFSR 当输入数字量当输入数字量当输入数字量当输入数字量D=1111D=1111时的输出时的输出时的输出时的输出分辨率：分辨率：分辨率：分辨率：说明：说明：说明：说明：DACDAC位数越多，分辨率越高位数越多，分辨率越高位数越多，分辨率越高位数越多，分辨率越高
6、本讲稿第十一页，共三十八页2.转换精度转换精度 DACDAC的转换误差是指实际模拟输出值与理想值之间的误差程的转换误差是指实际模拟输出值与理想值之间的误差程的转换误差是指实际模拟输出值与理想值之间的误差程的转换误差是指实际模拟输出值与理想值之间的误差程度。该指标是一项综合性的度。该指标是一项综合性的度。该指标是一项综合性的度。该指标是一项综合性的静态静态静态静态性能指标。性能指标。性能指标。性能指标。转换误差转换误差转换误差转换误差绝对误差：用绝对误差：用绝对误差：用绝对误差：用V VLSBLSB的倍数表示的倍数表示的倍数表示的倍数表示相对误差：绝对误差与满量程输出的比值相对误差：绝对误差与满
7、量程输出的比值相对误差：绝对误差与满量程输出的比值相对误差：绝对误差与满量程输出的比值本讲稿第十二页，共三十八页3.建立时间建立时间 DAC DAC的建立时间是指从数字量输入到完成转换且输出达到终值误差的的建立时间是指从数字量输入到完成转换且输出达到终值误差的的建立时间是指从数字量输入到完成转换且输出达到终值误差的的建立时间是指从数字量输入到完成转换且输出达到终值误差的1/2LSB1/2LSB所需时间。该指标是一项所需时间。该指标是一项所需时间。该指标是一项所需时间。该指标是一项动态动态动态动态性能指标。性能指标。性能指标。性能指标。图图图图13.513.5DACDAC的建立时间的建立时间的建
8、立时间的建立时间 本讲稿第十三页，共三十八页13.2.3 典型典型DAC芯片芯片DAC0832 DAC0832是采用是采用是采用是采用CMOSCMOS工艺制成的工艺制成的工艺制成的工艺制成的R-2R倒倒倒倒T型电阻网型电阻网络络8 8位位D/AD/A转换器，转换器，转换器，转换器，20脚脚脚脚DIP封装，内部带有两级封装，内部带有两级封装，内部带有两级封装，内部带有两级8位锁存。位锁存。位锁存。位锁存。该器件不仅可用于一般数字系统和模拟系统之间的接口电路，该器件不仅可用于一般数字系统和模拟系统之间的接口电路，该器件不仅可用于一般数字系统和模拟系统之间的接口电路，该器件不仅可用于一般数字系统和模
9、拟系统之间的接口电路，而且可以直接与而且可以直接与而且可以直接与而且可以直接与8 8位微型计算机接口，是目前使用较为广泛的位微型计算机接口，是目前使用较为广泛的位微型计算机接口，是目前使用较为广泛的位微型计算机接口，是目前使用较为广泛的一种集成一种集成一种集成一种集成DACDAC器件。器件。器件。器件。本讲稿第十四页，共三十八页一、一、DAC0832引脚功能引脚功能图图图图13.613.6DAC0832DAC0832引脚功能框图引脚功能框图引脚功能框图引脚功能框图本讲稿第十五页，共三十八页本讲稿第十六页，共三十八页二、二、DAC0832工作方式工作方式（1 1）直通方式）直通方式 两个锁存器均
10、处于直通状态，输入的数据直接两个锁存器均处于直通状态，输入的数据直接送至送至D/A转换器进行转换并输出。转换器进行转换并输出。（2 2）单缓冲方式）单缓冲方式 两个锁存器中一个处于直通状态，而只控制另一个锁存两个锁存器中一个处于直通状态，而只控制另一个锁存两个锁存器中一个处于直通状态，而只控制另一个锁存两个锁存器中一个处于直通状态，而只控制另一个锁存器的锁存器的锁存器的锁存器的锁存 （3 3）双缓冲方式）双缓冲方式 两级锁存器都受控。该缓冲方式常用于要求两级锁存器都受控。该缓冲方式常用于要求多个模拟量同时输出的场合，以提高转换的速度。多个模拟量同时输出的场合，以提高转换的速度。本讲稿第十七页，
11、共三十八页三、三、DAC0832的模拟输出方式的模拟输出方式 图图图图13.713.7DAC0832 DAC0832 单极性电压输出示意图单极性电压输出示意图单极性电压输出示意图单极性电压输出示意图（1 1）单极性输出）单极性输出输出电压为输出电压为0-VREF本讲稿第十八页，共三十八页图图图图13.813.8DAC0832DAC0832双极性电压输出示意图双极性电压输出示意图双极性电压输出示意图双极性电压输出示意图（2 2）双极性输出）双极性输出输出电压为输出电压为-VREF+VREF本讲稿第十九页，共三十八页13.2.4 D/A转换接口技术转换接口技术分类：分类：有输入锁存器有输入锁存器D
12、/A与与PC机的连接机的连接不带输入锁存器不带输入锁存器D/A与与PC机的连接机的连接本讲稿第二十页，共三十八页一、有输入锁存器一、有输入锁存器D/A与与PC机的连接机的连接 图图图图13.913.9PCPC机与机与机与机与DAC0832DAC0832连接示意图连接示意图连接示意图连接示意图本讲稿第二十一页，共三十八页 例例例例13.113.1 设设设设DAC0832DAC0832工作在单缓冲方式下，单极性输出，端口工作在单缓冲方式下，单极性输出，端口工作在单缓冲方式下，单极性输出，端口工作在单缓冲方式下，单极性输出，端口地址为地址为地址为地址为350H350H，V VREFREF=-5V=-
13、5V，现利用该转换器进行，现利用该转换器进行，现利用该转换器进行，现利用该转换器进行D/AD/A转换，产转换，产转换，产转换，产生一个如图生一个如图生一个如图生一个如图13.1013.10所示三角波。所示三角波。所示三角波。所示三角波。图图图图13.1013.10 D/AD/A产生三角波产生三角波产生三角波产生三角波本讲稿第二十二页，共三十八页（1）确定上、下限所对应的数字量。）确定上、下限所对应的数字量。）确定上、下限所对应的数字量。）确定上、下限所对应的数字量。上限：上限：上限：上限：Dup=3/(5/2Dup=3/(5/28)8)=153.6=99H=153.6=99H下限：下限：下限：
14、下限：Ddowm=1/(5/2Ddowm=1/(5/28 8)=51.2=33H=51.2=33H（2 2）编写程序。）编写程序。）编写程序。）编写程序。采用从下限值开始逐次加采用从下限值开始逐次加采用从下限值开始逐次加采用从下限值开始逐次加1 1，直到上限值，然后在将上限值，直到上限值，然后在将上限值，直到上限值，然后在将上限值，直到上限值，然后在将上限值 逐次减逐次减逐次减逐次减1 1，直到下限值，如此重复，直到下限值，如此重复，直到下限值，如此重复，直到下限值，如此重复，D/AD/A转换器输出的就是一个转换器输出的就是一个转换器输出的就是一个转换器输出的就是一个 三角波。程序如下：三角波
15、。程序如下：三角波。程序如下：三角波。程序如下：TRIANGTRIANGPROCPROCFARFARMOVMOVDXDX，350H350HMOVMOVCXCX，066H066HMOVMOVALAL，33H33HZ1Z1：OUTOUTDXDX，ALAL；形成上升斜坡；形成上升斜坡；形成上升斜坡；形成上升斜坡INCINCALAL；ALAL加加加加1 1LOOPLOOPZ1Z1；循环；循环；循环；循环102102次次次次本讲稿第二十三页，共三十八页MOVMOVCXCX，066H066HZ2Z2：DECDECALALOUTOUTDXDX，ALAL；输出下降斜坡；输出下降斜坡；输出下降斜坡；输出下降斜坡
16、LOOPLOOPZ2Z2JMPJMPZ1Z1RETRETTRIANGTRIANGENDP ENDP 本讲稿第二十四页，共三十八页二、不带输入锁存器二、不带输入锁存器D/A与与PC机的连接机的连接图图图图13.1113.11 PCPC机与机与机与机与DAC0808DAC0808连接示意图连接示意图连接示意图连接示意图本讲稿第二十五页，共三十八页 例例例例13.213.2如图如图如图如图13.1113.11所示，假设译码器输出地址为所示，假设译码器输出地址为所示，假设译码器输出地址为所示，假设译码器输出地址为0030H0030H，8 8位数字量放在数据段的位数字量放在数据段的位数字量放在数据段的位
17、数字量放在数据段的1000H1000H中，将其转换成模拟量中，将其转换成模拟量的程序片断如下：的程序片断如下：MOVMOV BXBX，1000H1000HMOVMOVDXDX，0030H0030HMOV MOV ALAL，BXBXOUT OUT DXDX，ALAL；锁存到；锁存到；锁存到；锁存到74LS27374LS273中，并转换中，并转换中，并转换中，并转换本讲稿第二十六页，共三十八页13.3 模数（模数（A/D）转换器）转换器本讲稿第二十七页，共三十八页13.3.1 A/D转换的步骤转换的步骤图图图图13.1213.12 采样过程示意图采样过程示意图采样过程示意图采样过程示意图一、采样和
18、保持一、采样和保持采样：采样：以一定的周期读取输入电压信号。以一定的周期读取输入电压信号。保持：保持：使读取的信号在周期内不变。使读取的信号在周期内不变。本讲稿第二十八页，共三十八页二、量化和编码二、量化和编码图图图图13.1313.13 量化过程示意图量化过程示意图量化过程示意图量化过程示意图量化：量化：把取样电平归化到最接近的离散电平上。把取样电平归化到最接近的离散电平上。编码：编码：用二进制码表示离散电平。用二进制码表示离散电平。本讲稿第二十九页，共三十八页13.3.2 ADC的主要技术指标的主要技术指标2.2.转换精度：转换精度：转换精度：转换精度：绝对精度：绝对精度：绝对精度：绝对精
19、度：实际值与理论值之间的最大差值实际值与理论值之间的最大差值实际值与理论值之间的最大差值实际值与理论值之间的最大差值 相对精度：相对精度：相对精度：相对精度：绝对精度与满量程输出比值绝对精度与满量程输出比值绝对精度与满量程输出比值绝对精度与满量程输出比值 3.3.转换时间：转换时间：转换时间：转换时间：ADCADC完成一次转换所需的时间。完成一次转换所需的时间。完成一次转换所需的时间。完成一次转换所需的时间。1.1.分辨率：分辨率：分辨率：分辨率：输出数字量最低位变化时所对应的输入模拟量的变化输出数字量最低位变化时所对应的输入模拟量的变化输出数字量最低位变化时所对应的输入模拟量的变化输出数字量
20、最低位变化时所对应的输入模拟量的变化量，即量，即量，即量，即ADCADC所能分辨的输入模拟量的最小值。因此，当所能分辨的输入模拟量的最小值。因此，当所能分辨的输入模拟量的最小值。因此，当所能分辨的输入模拟量的最小值。因此，当ADCADC的位数为的位数为的位数为的位数为n n，最大输入电压为，最大输入电压为，最大输入电压为，最大输入电压为V Vmaxmax时，分辨率为：时，分辨率为：时，分辨率为：时，分辨率为：本讲稿第三十页，共三十八页13.3.3 ADC工作原理工作原理一、并行高速一、并行高速ADC 并行并行并行并行ADCADC的优缺点：的优缺点：的优缺点：的优缺点：优点：优点：优点：优点：转
21、换速度高转换速度高转换速度高转换速度高(100MHz(100MHz以上以上以上以上)缺点：缺点：缺点：缺点：器件量过大，精度不器件量过大，精度不器件量过大，精度不器件量过大，精度不高。高。高。高。本讲稿第三十一页，共三十八页二、双积分式二、双积分式ADC 图图图图13.15 13.15 双积分式双积分式双积分式双积分式ADCADC原理图原理图原理图原理图缺点：缺点：转换速度较低；转换速度较低；优点：优点：抗干扰能力较强，转换精度较高。抗干扰能力较强，转换精度较高。本讲稿第三十二页，共三十八页三、逐次比较式三、逐次比较式ADC图图图图13.1613.16 逐次比较式逐次比较式逐次比较式逐次比较式
22、ADCADC原理图原理图原理图原理图本讲稿第三十三页，共三十八页表表表表13.2 813.2 8位逐次比较式位逐次比较式位逐次比较式位逐次比较式ADCADC的转换过程的转换过程的转换过程的转换过程步骤步骤步骤步骤逐次比较寄存器内容逐次比较寄存器内容逐次比较寄存器内容逐次比较寄存器内容V VA AVVo o比较器比较器比较器比较器判断判断判断判断2 27 72 26 62 25 52 24 42 23 32 22 22 21 12 20 0码值码值码值码值1 11 10 00 00 00 00 00 00 0128128否否否否去码去码去码去码2 20 01 10 00 00 00 00 00
23、06464是是是是加码加码加码加码3 30 01 11 10 00 00 00 00 09696是是是是加码加码加码加码4 40 01 11 11 10 00 00 00 0112112否否否否去码去码去码去码5 50 01 11 10 01 10 00 00 0104104否否否否去码去码去码去码6 60 01 11 10 00 01 10 00 0100100是是是是加码加码加码加码7 70 01 11 10 00 01 11 10 0102102是是是是加码加码加码加码8 80 01 11 10 00 01 11 11 1103103是是是是加码加码加码加码本讲稿第三十四页，共三十八页1
24、3.3.4 典型典型ADC芯片芯片ADC0809 ADC0809 ADC0809是采用是采用是采用是采用CMOSCMOS工艺制成的工艺制成的工艺制成的工艺制成的8 8位逐次比较式位逐次比较式ADCADC。其内部包括。其内部包括。其内部包括。其内部包括8 8路模拟开关，并由地址锁存及译码路模拟开关，并由地址锁存及译码路模拟开关，并由地址锁存及译码路模拟开关，并由地址锁存及译码器选择其中一路进行器选择其中一路进行器选择其中一路进行器选择其中一路进行A/DA/D转换，三态输出锁存缓冲器在转换，三态输出锁存缓冲器在转换，三态输出锁存缓冲器在转换，三态输出锁存缓冲器在OEOE（输出允许）信号的控制下完成
25、数据输出。（输出允许）信号的控制下完成数据输出。（输出允许）信号的控制下完成数据输出。（输出允许）信号的控制下完成数据输出。本讲稿第三十五页，共三十八页图图图图13.17 ADC080913.17 ADC0809引脚功能框图引脚功能框图引脚功能框图引脚功能框图本讲稿第三十六页，共三十八页13.3.5 A/D转换接口技术转换接口技术图图图图13.18 PC13.18 PC机与机与机与机与ADC0809ADC0809连接示意图连接示意图连接示意图连接示意图本讲稿第三十七页，共三十八页查询方式下的查询方式下的查询方式下的查询方式下的A/DA/D转换应用程序片断：转换应用程序片断：转换应用程序片断：转换应用程序片断：STARTSTART：MOVMOV DXDX，344H344HOUTOUTDXDX，ALAL；选通；选通；选通；选通IN4IN4并启动并启动并启动并启动A/DA/D转换转换转换转换MOVMOVDXDX，348H348HTWAITTWAIT：ININALAL，DXDX；查询；查询；查询；查询EOCEOCTESTTESTALAL，01H01HJZJZTWAITTWAITMOVMOVDXDX，344H344HININALAL，DXDXHLTHLT本讲稿第三十八页，共三十八页