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1、微机原理 模拟量输入输出1第1 页，本讲稿共49 页8.1 模拟量输入输出通道的组成 模拟量输入输出通道是微型计算机与控制对象之间的一个重要接口，也是实现工业过程控制的重要组成部分。工业生产中，需要测量和控制的物理量往往是连续变化的电流、电压、温度、压力、位移、流量等。利用计算机实现对工业生产过程的自动监测和控制，必须能够将生产过程中监测设备输出的连续变化的模拟量转变为计算机能够识别和接受的数字量。能够将计算机发出的控制命令转换为相应的模拟信号，去驱动模拟调节执行机构。这样两个过程，都需要模拟量的输入和输出通道来完成。2第2 页，本讲稿共49 页模拟量的输入输出通道结构图3第3 页，本讲稿共4
2、9 页8.1.1 模拟量的输入通道1.传感器：是用于将工业生产现场的某些非电物理量转换为电量的器件。例如 温度传感器：温度 电压信号；压力传感器：压力的变化 电信号2.变送器：将传感器的输出信号转换成010mA、420mA 的统一电流信号或者05V 的电压信号。传感器输出的电信号都比较微弱，有些传感器的输出甚至是电阻值、电容值等非电量。为了易于与信号处理环节衔接，需要将这些微弱电信号及电阻值等非电量转换成统一的电信号，变送器就是实现这一功能的器件。4第4 页，本讲稿共49 页 3.信号处理环节：将变送器输出的信号进行放大或处理成与A D 转换器所要求的输入相适应的电压水平。信号处理环节主要包括
3、信号的放大及干扰信号的去除4.多路转换开关：在数据采集系统中，需要采集的模拟量一般比较多，且不少模拟量是缓慢变化的信号。对这类模拟信号的采集，可采用多路模拟开关，使多个模拟信号共用一个A/D 转换器进行采样和转换，以降低成本。5第5 页，本讲稿共49 页5.采样保持电路：在数据采样期间，保持输入信号不变的电路称为采样保持电路。由输入模拟信号连续变化，A/D 转换器完成一次转换需要一定转换时间。对变化较快的模拟输入信号，如果在转换期间输入信号变化，引起转换误差。所以增加一级采样保持电路，保证在转换过程中输入信号保持在其采样时的值。6.模数A/D 转换器：将输入的模拟信号转换成计算机能够识别的数字
4、信号，以便计算机进行分析和处理。6第6 页，本讲稿共49 页8.1.2 模拟量的输出通道 计算机的输出信号是数字信号，而有的控制执行元件要求提供模拟的输入电流或电压信号，需要将计算机输出的数字量转换为模拟量。由模拟量的输出通道来完成。将数字量转换为模拟量同样需要一定的转换时间，要求在整个转换过程中待转换的数字量要保持不变，而计算机的运行速度很快，其输出的数据在数据总线上稳定的时间很短，因此，在计算机与D A 转换器之间必须加一级锁存器以保持数字量的稳定。D/A 转换器的输出端一般还要加上低通滤波器，以平滑输出波形。为了能够驱动执行器件，需要将输出的小功率的模拟量加以放大。7第7 页，本讲稿共4
5、9 页8.2 数模转换器（D/A）8.2.1 D/A 转换器的基本原理及技术指标1.D/A 转换器的基本工作原理 D/A 转换器的作用是将数字量转换为模拟量，数字量由二进制位组成，每个二进制位的权为2i，要把数字量转换为模拟电压，需要先把数字量的每一位上的代码按权转换成对应的模拟电流，再把模拟电流相加，最后由运算放大器将其转换成模拟电压。8第8 页，本讲稿共49 页A/D 转换器结构示意图9第9 页，本讲稿共49 页10第10 页，本讲稿共49 页11第11 页，本讲稿共49 页如果 R1=21R，R2=22R，Rn=2nR，即每一位电阻值都具有权值2j，且由一个开关Sj控制，当Sj闭合时Sj
6、=1，Sj断开时Sj=0。令则讨论：当所有开关Sj断开时，Vo=0；当所有开关Sj闭合时，最大。12第12 页，本讲稿共49 页D/A 转换的基本原理：如果用二进制编码来控制每一路的Sj，当第i 路的二进制码为1 时，使第j 位的Sj闭合；第j 路的二进制码为0 时，使对应的Sj断开，则数字量的变化就转换成了模拟量的变化。D/A 转换器的转换精度与基准电压Vref和权电阻Rj的精度以及数字量的位数j 有关。位数越多，转换精度越高，同时所需的权电阻的种类就越多。在集成电路中制造高阻值的精密电阻比较困难，因此常用T 形电阻网络代替权电阻网络。13第13 页，本讲稿共49 页输出电压Vo正比于输入数
7、字量Dn，幅度大小由Vref和Rf/R的比值决定14第14 页，本讲稿共49 页 将待转换的数字量D0D7通过数据缓冲器送至数据锁存器，保证转换过程中数字量的稳定。锁存器的输出接到多路模拟开关，使数据信号的高低电平转变成相应的开关状态。各位模拟开关输出的电流通过电阻网络进行加权，合成一个与输入数字量等效的模拟电流信号再经过驱动放大电路，形成模拟量的输出。15第15 页，本讲稿共49 页2.D/A 转换器的主要技术指标1.分辨率：分辨率是D/A 转换器对数字输入量变化的敏感程度的度量。它表示输入每变化一个最低有效位使输出变化的程度，可用数字量的位数来表示，如8位，10位等。输入数字量等于1时的电
8、压值与输入数字量等于最大值时的满度电压值之比，例如，一个n 位的D/A 转换器，若其满度电压值为V，其最低有效位对应的电压值就为V/(2n一1)，则该D/A 转换器的分辨率等于1/(2n一1)。16第16 页，本讲稿共49 页(2)转换精度：表示由于D A 转换器的引入而使其输出和输入之间产生的误差。可用绝对转换精度或相对转换精度来表示。绝对转换误差是指实际的输出值与理论值之间的差距，它与D/A转换器参考电压的精度、权电阻的精度等有关。相对转换精度是绝对转换精度与满量程输出之比，是常用的描述输出电压接近理想值程度的物理量，更具有实用性。例如，一个D A 转换器的绝对转换精度为0.05V，若输出
9、满刻度值为5V，则其相对转换精度为 1%。17第17 页，本讲稿共49 页（3）转换时间：当输入数字量满刻度变化(如全0到全1)时，从数字量输入到输出模拟量达到与终值相差1/2 LSB(最低有效位)相当的模拟量值所需的时间，它表示D/A 转换器的转换速率。（4）线性误差：实际输出特性偏离理想转换特性的最大值，通常用最大差值折合成的数字量来表示。在D/A 转换时，若数据连续转换，则输出的模拟量应该是线性的。即理想情况下，D/A 转换器的输入输出曲线是一条直线，但实际的输出特性曲线与理想的曲线之间存在一定的误差。（5）动态范围：是指最大和最小输出值范围。18第18 页，本讲稿共49 页8.2.2
10、典型D/A 转换器芯片及其与系统的连接内部不包含数据输入寄存器：AD7520、AD7521 不具备数据锁存能力，不能直接与系统总线连接，与CPU 连接时，要在其与CPU 之间增加数据锁存器。内部包含数据输入寄存器：DAC0832、AD77524 可直接与系统总线连接19第19 页，本讲稿共49 页1.引线及内部结构D0D7：8 位数据输入端CS：片选信号，低电平有效；ILE：输入寄存器选通命令，它与CS、WR1一起将要转换的数据送入输入寄存器；WRl：输入寄存器的写入控制；WR2：数据变换寄存器写入控制；XFER：传送控制信号，它与WR2 一起把输入寄存器的数据装入到数据变换寄存器；Iout1
11、、Iout2：模拟电流输出端Rfb：反馈电阻引出端，接运放输出Vref：参考电压输出端20第20 页，本讲稿共49 页DAC0832 的内部结构示意图21第21 页，本讲稿共49 页2.工作方式及线路连接(1)单缓冲工作方式：是使输入寄存器或DAC 寄存器中的任意一个工作在直通状态，而另一个工作在受控锁存状态。例如，使输入寄存器受控，DAC 寄存器自通，则可将WR2和XFER 接数字地，ILE 接十5V。将CS 接端口地址译码器输出，WR1接IOW 信号，则当CPU 向输入寄存器的端口地址发出写命令时，数据就写入输入寄存器，因为DAC直通，所以写入到寄存器的数据立即进行数模转换。22第22 页
12、，本讲稿共49 页完成D/A 转换的程序：MOV AL，DATAMOV DX，PORTOUT DX，ALHLT单缓冲工作方式23第23 页，本讲稿共49 页（2）双缓冲工作方式 将数据写入输入寄存器；将输入寄存器的内容写入DAC 寄存器。具体过程为：当ILE 1，CS WR10时，待转换的数据被写入输入寄存器。随后，WR1由低变高，数据出现在输入寄存器的输出端。在整个WRl为高电平期间，输入寄存器的输出端将不再随其输入端的变化而变化。从而保证了在数模转换时数据稳定不变。锁存在输入寄存器中的数据此时并不能进入DAC 寄存器，只有当XFEE WR20时，数据才能写入DAC 寄存器，并同时启动变换。
13、24第24 页，本讲稿共49 页双缓冲方式程序段：MOV AL，DATAMOV DX，PORT1OUT DX，ALMOV DX，PORT2OUT DX，ALHLT双缓冲方式下的电路连接25第25 页，本讲稿共49 页4.DAC0832 的应用（1）信号源 DAC0832 在单缓冲方式下可以直接与系统总线相连，即可以将它看作一个输出端口。每向该端口送一个8 位数据，其输出端就会有相应的输出电压。通过编程，利用D/A 转换器产生各种不同的输出波形。例8-2 根据电路，编写一个输出锯齿波的程序，周期任意，DAC0832 工作在单缓冲方式下，端口地址为0278H。26第26 页，本讲稿共49 页083
14、2 的端口地址：0278H27第27 页，本讲稿共49 页分析：正向锯齿波：电压从最小值开始逐渐上升，上升到最大值时立刻跳变为最小值，如此往复。反向锯齿波：电压从最小值跳变为最大值，然后逐渐下降到最小值。只要从0开始往0832输出数据，每次加1，直到最大值FFH，然后再从0开始下一个周期，循环执行，得到正向锯齿波。先用0减1直接得到最大值FFH，然后每次减1，得到反向锯齿波。28第28 页，本讲稿共49 页 MOV DX，0278H MOV AL，0NEXT：OUT DX，AL DEC AL JMP NEXT 锯齿波不是平滑的波形，有255 个小台阶，通过加滤波电路可以得到较平滑的锯齿波输出，
15、也可以通过软件实现对输出波形周期和幅度的调整。29第29 页，本讲稿共49 页 例8-3 已知0832输出电压范围为05V，希望输出电压为14V，周期任意的正向锯齿波。分析：输出电压5V 时，输入数字量为最大值255，1V 电压对应的数字量=1255/5=51=33H 4V 电压对应的数字量=4255/5=204=CDH程序段：MOV DX，0278HNEXT1：MOX AL，33HNEXT2：OUT DX，AL INC AL CALL DELAY CMP AL，0CDH JNA NEXT2 JMP NEXT1DELAY：MOV CX，100DELAY1：LOOP DELAY1 RET说明：子
16、程序中设置不同的延时常数，可以实现输出信号周期的调整 实现了波形幅度的调整30第30 页，本讲稿共49 页8.3 模数A/D 转换器8.3.1 A/D 转换器的工作原理及技术指标1.A/D 转换器的工作原理逐次反馈型A/D 转换器的结构数字量输出31第31 页，本讲稿共49 页例如：12位的A/D 转换器，输入的模拟电压为05V，输出的对应值为0FFFH，最低有效位对应的输出电压为5/(212-1)1.22mV。假设输入模拟电压为4.5V，转换过程如下：位序号 比较表达式 二进制值 B11 4.5000-211*1.22=2V 0 1 B10 2.0000-210*1.22=0.75V 0 1
17、 B9 0.7500-29*1.22=0.125 V 0 1 B8 0.1250-28*1.22 0 0 B7 0.1250-27*1.22 0 1 B5 0.0460-25*1.22=0.0069V 0 1 B4 0.0069-24*1.22 0 0 B3 0.0069-23*1.22 0 1 B1 0.0021-21*1.22 0 1 4.5V 模拟电压 111001100101B=E65H 32第32 页，本讲稿共49 页2.A/D 转换器主要技术指标1）精度(1)量化误差(分辨率)：A/D转换器的量化误差决定于A/D 转换器的转换特性。(2)非线性误差：在整个变换量程范围内，数字量所对
18、应的模拟输入信号的实际值与理论值之间的最大差值。理论上AD 转换曲线应该是一条直线，即模拟输入与数字量输出之间应该是线性关系。但实际它们两者的关系并非呈线性。所谓非线性误差就是由于二者关系的非线性而偏离理想直线的最大值，常用多少LSB来表示。(3)其它误差：电源波动引起的误差、温度漂移误差、零点漂移误差、参考电源误差等。33第33 页，本讲稿共49 页例如，一个2位的A/D 转换器，当模拟量的值在00.5V 范围变化时，数字量输出为000B；在0.5v1.5v 范围变化时，数字量输出为001B。实际模拟量与理论模拟量之差最大为0.5v。这种误差是由转换特性造成的，是一种无法消除的原理性误差。数
19、字量的每个变化间隔为1v，就是说模拟量在1v内的变化，不会使数字量发生变化。这个间隔称为量化间隔34第34 页，本讲稿共49 页=输入满度电压值A/D 转换器的最大数字量输出Vmax2n-1例如：12位A/D 转换器，最大输入模拟电压为5V，=5/40951.22mV 量化误差=量化间隔=A/D 转换器的位数确定，其量化误差即确定12Vmax2（2n-1）35第35 页，本讲稿共49 页2）转换时间：完成一次A/D 转换所需要的时间，即从发出启动转换命令信号到转换结束信号有效之间的时间间隔。转换时间的倒数称为转换速率(频率)。3）输入动态范围（量程）：能够转换的模拟输入电压的变化范围。单极性：
20、0+5V、0+10V、0+20V 双极性：-5V+5V、-10V+10V 36第36 页，本讲稿共49 页3.典型A/D 转换器芯片ADC0809 ADC0809 是逐位逼近型8 位单片A D 转换芯片。片内含8 路模拟开关，可允许8 个模拟量输入。片内带有三态输出缓冲器，因此可直接与系统总线相连。它的转换精度和转换时间都不是很高，但其性能价格比有较明显的优势，是目前应用较为广泛的芯片之一。（1）ADC0809 的引线D0D7：输出数据线IN0IN7：8 路模拟电压输入端ADDA、ADDB、ADDC：通道地址选择用于选择8 路中的1 路输入，ADDA 为最低位，ADDC 为最高位。37第37
21、页，本讲稿共49 页START：启动信号输入端ALE：通道地址锁存信号EOC：转换结束信号，EOC=0，正在转换；EOC=1，转换结束OE：读允许信号，CLK：时钟输入端REF(+)REF(-)参考电压输入端VCC：电源电压GND：地线38第38 页，本讲稿共49 页（2）ADC0809 的内部结构39第39 页，本讲稿共49 页ADC0809 的内部结构主要有3部分组成：模拟输入选择部分包括一个8路模拟开关和地址锁存与译码电路。输入的三位通道地址信号由锁存器锁存，经译码电路译码后控制模拟开关选择相应的模拟输入。地址编码与输入通道的关系：转换器部分包括比较器，8位D/A 转换器，逐位逼近寄存器
22、以及控制逻辑电路等。输出部分包括一个8位三态输出缓冲器。40第40 页，本讲稿共49 页对应模拟通道ADDA ADDB ADDCIN0 0 0 0IN1 0 0 1IN2 0 1 0IN3 0 1 1IN4 1 0 0IN5 1 0 1IN6 1 1 0IN7 1 1 1地址与输入通道41第41 页，本讲稿共49 页（3）ADC0809 的工作过程 外部时钟信号通过CLK 端进入其内部控制逻辑电路，作为转换时的时间基准。工作过程如下：首先CPU 发出3位通道地址信号ADDC、ADDB、ADDA；在通道地址信号有效期间，使ALE 引脚上产生脉冲上跳沿，将输入的3位通道地址锁存到内部地址锁存器；接
23、着给START 引脚加上一个脉冲下降沿，启动A/D 变换；变换开始后，EOC 引脚呈现低电平，一旦变换结束，EOC 又重新变为高电平；CPU 在检测到EOC 变高后，输出一个正脉冲到OE 端，将转换结果取走。42第42 页，本讲稿共49 页ADC0809 工作时序43第43 页，本讲稿共49 页（4）ADC0809 与系统的连接方法模拟信号输入：模拟信号分别连接到1N0IN7端。当前要转换哪一路通过ADDCADDA 的不同编码来选择。0809内部有地址锁存器，CPU 通过输出接口(74LS273、74LS373、8255)把通道地址编码送到通道地址信号端。D0D7的连接：0809芯片的输出端带
24、有三态缓冲器，可以直接连接到系统数据总线上。考虑到驱动及隔离的因素，通常总是用一个输入接口与系统连接。启动转换信号的连接：0809采用脉冲启动方式。通常将START和ALE 连接在一起作为一个端口看待。ALE 是上升沿有效，START 是下降沿有效，可用一个正脉冲来完成通道地址锁存和启动转换两项工作。状态信号EOC 端的连接：44第44 页，本讲稿共49 页ADC0809 与系统的连接图145第45 页，本讲稿共49 页ADC0809 与系统的连接图246第46 页，本讲稿共49 页（5）ADC0809 的应用主要用于数据采集系统中实现对8路模拟信号的循环数据采集。编写8路模拟量的循环数据采集
25、程序。设转换结果放在DATA 为首的内存单元中。8255 的口地址：0378H037BH 8255的A、B、C3 个端口均工作在方式0，A 口输入，输入转换后的结果；B 口输出，输出通道地址、发出地址锁存信号和启动转换信号；C 口低4位输入，读取转换状态，高4位未用。47第47 页，本讲稿共49 页INIT-8255 PROC NEAR MOV DX，37BH MOV L，91H OUT DX，AL RETINIT-8255 ENDP；数据采集START：MOV AX，SEG，DATA MOV DS，AX MOV SI，OFFSET DATA CALL INIT-8255 MOV BL，0 MOV CX，848第48 页，本讲稿共49 页AGAIN：MOV AL，BL MOV DX，379H OUT DX，AL OR AL，10H OUT DX，AL AND AL，0EFH OUT DX，AL NOP MOV DX，37AHWAIT1：IN AL，DX AND AL，02H JZ WAIT1 MOV DX，379HMOV AL，BLOR AL，20HOUT DX，ALMOV DX，378HIN AL，DXMOV SI，ALINC SIINC BLLOOP AGAINMOV DX，379HMOV AL，0OUT DX，ALHLT49第49 页，本讲稿共49 页