《模拟输入输出技术 (2)优秀课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟输入输出技术 (2)优秀课件.ppt（36页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、模拟输入输出技术(2)第1页，本讲稿共36页模拟量与数字量n模拟量模拟量连续变化的物理量连续变化的物理量n数字量数字量时间和数值上都离散的量时间和数值上都离散的量模拟模拟/数字转换器数字转换器ADCDAC数字数字/模拟转换器模拟转换器第2页，本讲稿共36页13.1 模拟输入输出系统传感器传感器将各种现场的物理量测量出来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）并转换成电信号（模拟电压或电流）放大器放大器把传感器输出的信号放大到把传感器输出的信号放大到ADC所需所需的量程范围的量程范围低通滤波器低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比以增加信
2、噪比第3页，本讲稿共36页13.2 数模（D/A）转换器将将数数字字信信号号转转换换为为模模拟拟信信号号的的器器件件称称为为数数模模转转换换器器或或D/A转转换换器器（Digital to Analog Converter），简称），简称DAC。D是是输输入入n位位的的数数字字量量，Vo是是输输出出的的模模拟拟量量，VREF是是参参考考电电压压（又又称称基基准准电电压压），它它通通常常是是一一个恒定的模拟量。三者之间满足以下的关系：个恒定的模拟量。三者之间满足以下的关系：Vo=KDVREF（13.1）式中，式中，K是常数，不同类型的是常数，不同类型的D/A转换器对应各自的转换器对应各自的K值。
3、假设值。假设D=Dn-12n-1+Dn-22n-2+D020=（13.2）将式（将式（13.2）代入式（）代入式（13.1），得），得Vo=KVREF（13.3）说明了说明了D/A转换器的输入数字量和输出模拟量之间满足正比关系。转换器的输入数字量和输出模拟量之间满足正比关系。第4页，本讲稿共36页13.2.1 D/A转换原理常用的常用的D/A转换器可分为转换器可分为n权电阻网络权电阻网络DAC、nT型电阻网络型电阻网络DAC、n倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC和电流激励型和电流激励型DAC等。等。第5页，本讲稿共36页二倒T型电阻网络式D/A转换器第6页，本讲稿共36页13.2.2 D/A主要
4、性能指标主要性能指标1 DAC分辨率分辨率DAC分分辨辨率率是是指指最最小小输输出出电电压压VLSB和和满满量量程程输输出出电电压压VFSR之之比比。n位位二二进进制制D/A转转换换器的分辨率一般用器的分辨率一般用2-n来表示。来表示。2 DAC转换精度转换精度DAC转转换换精精度度是是指指实实际际转转换换得得到到的的输输出出值值与与理理论论值值之之间间的的误误差差程程度度，可可分分为为绝绝对对精精度和相对精度两种衡量标准。度和相对精度两种衡量标准。绝对精度是指每个输出值接近理论值的程度。绝对精度是指每个输出值接近理论值的程度。相对精度一般用绝对精度相对于满度量程输出的百分比表示。相对精度一般
5、用绝对精度相对于满度量程输出的百分比表示。3DAC建立时间建立时间建建立立时时间间是是指指DAC输输出出电电压压到到达达规规定定范范围围（终终值值的的1/2最最低低有有效效位位）时时所所需需要要的时间。的时间。建立时间越短越好建立时间越短越好。第7页，本讲稿共36页DAC芯片nDAC0832是典型的是典型的8位电流输出型位电流输出型典型典型第8页，本讲稿共36页1.DAC0832的数字接口n8位数字输入端位数字输入端nDI0DI7（DI0为最低位）为最低位）n输入寄存器（第输入寄存器（第1级锁存）的控制端级锁存）的控制端nILE、CS*、WR1*nDAC寄存器（第寄存器（第2级锁存）的控制端级
6、锁存）的控制端nXFER*、WR2*第9页，本讲稿共36页直通锁存器的工作方式两级缓冲寄存器都是直通锁存器两级缓冲寄存器都是直通锁存器nLE1，直通（输出等于输入），直通（输出等于输入）nLE0，锁存（输出保持不变），锁存（输出保持不变）LE2LE1DAC0832输入输入锁锁存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC锁锁存存器器Iout1第10页，本讲稿共36页DAC0832的工作方式：直通方式nLE1LE21n输入的数字数据直接进入输入的数字数据直接进入D/A转换器转换器LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1第11页，本讲稿
7、共36页DAC0832的工作方式：单缓冲方式nLE11，或者，或者LE21n两个寄存器之一始终处于直通状态两个寄存器之一始终处于直通状态n另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1第12页，本讲稿共36页DAC0832的工作方式：双缓冲方式n两个寄存器都处于受控（缓冲）状态两个寄存器都处于受控（缓冲）状态n能能够够对对一一个个数数据据进进行行D/A转转换换的的同同时时；输输入入另另一一个数据个数据LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转
8、转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1第13页，本讲稿共36页2.DAC0832的模拟输出nIout1、Iout2电流输出端电流输出端nRfb反馈电阻引出端（电阻在芯片内）反馈电阻引出端（电阻在芯片内）nVREF参考电压输入端参考电压输入端n10V10VnAGND模拟信号地模拟信号地nVCC电源电压输入端电源电压输入端n5V15VnDGND数字信号地数字信号地第14页，本讲稿共36页3.地线的连接第15页，本讲稿共36页三、DAC0832的模拟输出方式（1）单极性输出）单极性输出数数字字量量经经过过DAC0832转转换换之之后后直直接接得得到到的的输输出出信信号号是是模模拟拟电电流流IOUT1
9、和和IOUT2，若若要要得得到到电电压压输输出出，应应加加一一级级运运算算放放大大器器，此此时时是是单单极极性性的的电电压压输输出出，即即输输出出电电压压为为0-5V（VREF接接+5V）或或0-10V（VREF接接10V），若若要要形形成成正正电电压压输输出，则出，则VREF需接负电压。需接负电压。第16页，本讲稿共36页（2）双极性输出）双极性输出若要进一步得到双极性的电压输出，即输出电压为若要进一步得到双极性的电压输出，即输出电压为-VREF+VREF，还应引入电压偏移电路。，还应引入电压偏移电路。第17页，本讲稿共36页13.2.4 D/A转换接口技术n数数字字量量经经过过CPU处处理
10、理之之后后，需需由由D/A转转换换器器完完成成数数字字量量到到模模拟拟量量的的转转换换。由由于于集集成成DAC内内部部结结构构的的不不同同，有有的的DAC内内部部带带有有锁锁存存器器，有有的的则则不不带带有有锁锁存存器器。如如果果有有锁锁存存器器，连连接接CPU与与转转换换器器相相对对比比较较简简单单，而而如如果果没没有有锁锁存存器器，则则应应选选择择适适当当的的外外部部锁锁存存器器，如如74LS373，74LS273等然后再与系统总线相连。等然后再与系统总线相连。一、有输入锁存器一、有输入锁存器D/A与与PC机的连接机的连接这这类类D/A器器件件可可以以直直接接和和PC机机的的数数据据总总线
11、线连连接接，如如DAC0832芯芯片片内内部部自自带带有有两两级级锁锁存存器器，而而这这里里采采用用单单缓缓冲冲方方式式，即即第第一一级级输输入入锁锁存存器器锁锁存存，第第二二级级D/A锁锁存存器器直直通通。由由外部控制信号直接控制输入锁存器的锁存。片选信号由地址译码后产生。外部控制信号直接控制输入锁存器的锁存。片选信号由地址译码后产生。第18页，本讲稿共36页【例例13.1】假假设设DAC0832工工作作在在单单缓缓冲冲方方式式下下，单单极极性性输输出出，端端口口地地址址为为350H，VREF=-5V，现现利利用用该该转转换换器器进进行行数数字字量量到到模模拟拟量量的的转转换换，产生一个如图
12、所示的三角波。产生一个如图所示的三角波。首先确定上、下限所对应的数字量首先确定上、下限所对应的数字量。根据计算可得输出电压的上、下限所对应的数字量分别为：根据计算可得输出电压的上、下限所对应的数字量分别为：上限：上限：Dup=328/5=153.6=99H下限：下限：Ddowm=128/5=51.2=33H第19页，本讲稿共36页TRIANG PROCFAR MOV DX，350HMOVCX，066HMOVAL，33HZ1：OUTDX，AL；送；送D/A输出，形成上升斜坡输出，形成上升斜坡INCAL；AL加加1LOOPZ1；循环；循环102次次MOVCX，066HZ2：DECALOUTDX，A
13、L；输出下降斜坡；输出下降斜坡LOOPZ2JMPZ1RETTRIANGENDP第20页，本讲稿共36页输出正向锯齿波2次数据输出的时间间隔次数据输出的时间间隔02LSB1LSB255LSB254LSB锯齿波周期锯齿波周期mov dx,portdmov al,0repeat:out dx,alinc aljmp repeat第21页，本讲稿共36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n这这类类D/A转转换换器器由由于于本本身身不不带带有有锁锁存存器器，因因此此在在与与CPU连连接接时时，必必须须外外加加一一个个锁锁存存器器。8位位不不带带锁锁存存器器DAC0808与
14、与系系统统总总线线的的连接示意图：连接示意图：n外外加加的的锁锁存存器器为为74LS273，该该芯芯片片利利用用CLK负负脉脉冲冲将将输输入入端端的的数数据据锁存，在输出端稳定出现锁存时的数据。锁存，在输出端稳定出现锁存时的数据。第22页，本讲稿共36页【例例13.2】如如图图13.11所所示示，假假设设译译码码器器输输出出地地址址为为0030H，8位位数数字字量量放放在在数数据据段段的的1000H中，将其转换成模拟量的程序片断如下：中，将其转换成模拟量的程序片断如下：MOVBX，1000HMOVDX，0030HMOV AL，BXOUT DX，AL；锁存到；锁存到74LS273中，并转换中，并
15、转换以以上上讨讨论论的的均均是是8位位的的D/A转转换换器器，对对于于超超过过8位位的的DAC与与系系统统相相连连时时，需需要要注注意意以下两点：以下两点：（1）如如果果CPU外外部部数数据据总总线线为为8位位，则则要要分分两两次次送送数数据据，带带锁锁存存的的DAC的的高高位位和和低低8位位相相连，然后分两次送数，编程时注意高低位的调整或移位。连，然后分两次送数，编程时注意高低位的调整或移位。（2）如如果果CPU外外部部数数据据总总线线为为16位位或或以以上上，只只需需将将DAC相相应应位位与与CPU数数据据线线连连接接即即可。可。第23页，本讲稿共36页12.3 A/D转换器模拟量模拟量数
16、字量模拟模拟/数字转换器数字转换器ADC第24页，本讲稿共36页13.3.1 A/D转换的步骤一、采样和保持一、采样和保持第25页，本讲稿共36页n二、量化和编码二、量化和编码 第26页，本讲稿共36页13.3.2 ADC的主要技术指标的主要技术指标1ADC分辨率分辨率n是是指指ADC能能够够分分辨辨最最小小量量化化信信号号（输输入入最最小小模模拟拟电电压压值值）的的能能力力，与与数数据据位位数数有有关关，位位数数越越多多，分分辨辨率率越越高高。对对于于n位位二二进进制制的的ADC来来说说，分分辨率为：辨率为：n分辨率分辨率=满量程输入模拟电压值满量程输入模拟电压值/2nn习惯上采用位数表示分
17、辨率习惯上采用位数表示分辨率:8位、位、10位、位、12位、位、16位等。位等。2ADC转换精度转换精度n转转换换精精度度是是指指A/D转转换换器器输输出出的的理理论论值值与与真真实实值值之之间间的的差差值值，它可以分为绝对精度和相对精度两种。它可以分为绝对精度和相对精度两种。n绝对精度是指绝对精度是指ADC实际值与理论值之间的最大差值，通常以实际值与理论值之间的最大差值，通常以VLSB或或LSB的倍数来表示。的倍数来表示。n相对精度则是用绝对精度与满量程输出比值，通常用满量程相对精度则是用绝对精度与满量程输出比值，通常用满量程FSR（VFSR或或IFSR）的百分数来表示。）的百分数来表示。3
18、ADC转换时间转换时间转换时间是指完成一次转换时间是指完成一次A/D转换所需要时间。转换所需要时间。第27页，本讲稿共36页13.3.3 ADC工作原理工作原理n存存在在多多种种A/D转转换换技技术术，各各有有特特点点，分分别应用于不同的场合别应用于不同的场合n3种常用的转换技术种常用的转换技术并行高速式并行高速式双积分式双积分式逐次比较式逐次比较式第28页，本讲稿共36页1.并行式编编码码电电路路VinVREF数字输出数字输出比较器比较器RRRRRRR/2R/2特点是转换速度极快，特点是转换速度极快，但是当该但是当该ADC的位数增加时所的位数增加时所需电压比较器和数据寄存器的需电压比较器和数
19、据寄存器的数目将以几何级数增加。数目将以几何级数增加。仅适用于仅适用于3、4、5位等的转换，位等的转换，或与逐次比较式或与逐次比较式ADC混合使用，混合使用，以提高转换位数。以提高转换位数。第29页，本讲稿共36页2.双积分式两个积分阶段两个积分阶段实质是电压实质是电压/时间变换时间变换双积分式双积分式ADC的特点是转换精度高，抗干扰能力强，但由于要进行两次积分，因此转换的特点是转换精度高，抗干扰能力强，但由于要进行两次积分，因此转换速度低，适用于对速度要求不高的场合，如数字式测试仪表（三用表）、温度测量等。速度低，适用于对速度要求不高的场合，如数字式测试仪表（三用表）、温度测量等。第30页，
20、本讲稿共36页3.逐次比较式从最高位开始从最高位开始的逐位试探法的逐位试探法特点是转换速度相对较快，对于特点是转换速度相对较快，对于n位位A/D转换器只需转换器只需n个时钟个时钟脉冲即可完成一次转换，且转换精度高，因此在数字系统中得脉冲即可完成一次转换，且转换精度高，因此在数字系统中得到了广泛的应用。到了广泛的应用。如如ADC0809就是就是8位逐次比较式位逐次比较式A/D转换器。转换器。第31页，本讲稿共36页13.3.4典型典型ADC芯片芯片ADC0809n具有具有A/D转换的基本功能转换的基本功能nCMOS工艺制作工艺制作n8位逐次比较式位逐次比较式ADCn转换时间为转换时间为100 s
21、n包含扩展部件包含扩展部件多路开关多路开关三态锁存缓冲器三态锁存缓冲器第32页，本讲稿共36页ADC0809的内部结构图第33页，本讲稿共36页1.ADC0809的模拟输入n提供一个提供一个8通道的多路开关和寻址逻辑通道的多路开关和寻址逻辑nIN0IN7：8个模拟电压输入端个模拟电压输入端nADDA、ADDB、ADDC：3个地址输入线个地址输入线nALE：地址锁存允许信号地址锁存允许信号nALE的的上上升升沿沿用用于于锁锁存存3个个地地址址输输入入的的状状态态，然然后后由由译译码码器器从从8个个模模拟拟输输入入中中选选择择一个模拟输入端进行一个模拟输入端进行A/D转换转换第34页，本讲稿共36
22、页3.ADC0809的数字输出nADC0809内部锁存转换后的数字量内部锁存转换后的数字量n具有三态数字量输出端具有三态数字量输出端D0D7n配合输出允许信号配合输出允许信号OEn当当输输出出允允许许信信号号OE为为高高电电平平有有效效时时，将将三三态锁存缓冲器的数字量从态锁存缓冲器的数字量从D0D7输出输出第35页，本讲稿共36页START:MOVDX,344HOUTDX,AL;选通选通IN4并启动并启动A/D转换转换MOVDX,348HTWAIT:INAL,DX;查询查询EOCTESTAL,01HJZTWAITMOVDX,344HINAL,DXHLT13.3.5 ADC应用第36页，本讲稿共36页