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1、第8 章 模拟量的输入输出第1 页，本讲稿共39 页 n 模拟量I/O接口的作用n 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 n 计算机内部离散的数字量二进制数、十进制数n 工业生产过程的闭环控制 概述 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)计算机第2 页，本讲稿共39 页v 模拟量输入输出通道的组成v 数/模(D/A)转换器v 模/数(A/D)转换器v 本章习题本章内容第3 页，本讲稿共39 页 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0010110110101100工业
2、生产过程传感器放大滤波多路转换&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接口输入通道输出通道第4 页，本讲稿共39 页8.1.1 模拟量输入通道n 传感器（Transducer）n 非电量电压、电流 n 变送器（Transformer）n 转换成标准的电信号n 信号处理（Signal Processing）n 放大、整形、滤波 n 多路转换开关（Multiplexer）n 多选一n 采样保持电路（Sample Holder，S/H）n 保证变换时信号恒定不变n A/D变换器（A/D Converter）n 模拟量转换为数字量 第5
3、页，本讲稿共39 页8.1.2 模拟量输出通道n D/A变换器（D/A Converter）n 数字量转换为模拟量n 低通滤波n 平滑输出波形n 放大驱动n 提供足够的驱动电压，电流第6 页，本讲稿共39 页8.2 数/模（D/A）转换器8.2.1 D/A转换器的基本原理及技术指标n D/A变换器的基本工作原理组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器 两种电阻网络：权电阻网络、R-2R梯形电阻网络基本结构如图：VrefRf 模拟开关电阻网络VO数字量第7 页，本讲稿共39 页D/A 变换原理 运放的放大倍数足够大时，输出电压VO与输入电压Vin的关系为：式中：Rf 为反馈电阻 R 为输入电阻 Vi
4、nRf VOR 第8 页，本讲稿共39 页 若输入端有n个支路,则输出电压VO与输入电压Vi的关系为：VinRf VOR1式中：Ri 为第i支路的输 入电阻Rn第9 页，本讲稿共39 页2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8令每个支路的输入电阻为2iRf,并令Vin为一基准电压Vref图中的电阻网络就称为权电阻网络第10 页，本讲稿共39 页则有如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为 若Si=1,该项对VO有贡献若Si=0,该项对VO无贡献第1 1 页，本讲稿共39 页n 用8位二进制代
5、码来表示图中的S1S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，则二进制代码的不同，输出电压VO也不同，这就构成了8位的D/A转换器。n 当二进制代码在0FFH之间变化时，VO相应地在0-(255/256)Vref之间变化。n 为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。第12 页，本讲稿共39 页R-2R 梯形电阻网络2R第13 页，本讲稿共39 页D/A 转换器的主要技术指标分辨率（Resolution）n 输入的二进制数每1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。n 一般用输入数字量的位数来表示:如8位、10位例：一个
6、满量程为5V 的10 位DAC，1 LSB 的变化将使输出变化 5/(210-1)=5/1023=0.04888V=48.88mV转换精度（误差）n 实际输出值与理论值之间的最大偏差。n 一般用最小量化阶来度量，如1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量，如0.05%FSR(LSB-Least Significant Bit,FSR-Full Scale Range)第14 页，本讲稿共39 页 转换时间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tV1/2 LSBtCVFULL第15 页，本讲稿共39 页8.2.2 典型D/A 转换器芯片n DAC0832n 特性：8
7、位电流输出型D/A转换器 T型电阻网络 差动输出n 引线p351 图8-7第16 页，本讲稿共39 页DAC0832 内部结构 P351 图8-8第17 页，本讲稿共39 页引脚功能 D7D0：输入数据线 ILE：输入锁存允许 CS#：片选信号 WR1#：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 WR2#：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 VREF：参考电压，-10V+10V，一般为+5V或+10V IOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入 Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出 AGND、DGND：模拟
8、地和数字地 第18 页，本讲稿共39 页工作时序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寄存器第19 页，本讲稿共39 页工作方式n 单缓冲方式n 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。P352图8-9。n 双缓冲方式（标准方式）n 转换要有两个步骤：将数据写入输入寄存器 CS#=0、WR1#=0、ILE=1 将输入寄存器的内容写入DAC寄存器 WR2#=0、XFER#=0 n 优点：数据接收与D/A转换可异
9、步进行；n 可实现多个DAC同步转换输出分时写入、同步转换n 直通方式n 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。n 不能直接与数据总线连接，需外加并行接口(如74LS373、8255第20 页，本讲稿共39 页D/A 转换器的应用n 函数发生器(信号源)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。n 直流电机的转速控制n P354 例8-2第21 页，本讲稿共39 页8.3 模/数（A/D）转换器n 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。n 类型n 计数型A/D变换
10、器n 双积分型A/D变换器n 逐位反馈型A/D变换器 第22 页，本讲稿共39 页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。见P238页图。第23 页，本讲稿共39 页工作原理 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20g，21g，27g，可以称出1255g之 间的物体。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VC；3）VC与输入电压Vi比较
11、，若VCVi，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Vi相对应的2进制数。第24 页，本讲稿共39 页主要技术指标精度 量化间隔(分辨率)=Vmax/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 量化误差:用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量字长有限而无法精确地表示连续量所造成的误差。(字长越长，精度越高)绝对量化误差=量化间隔/2=(满量程电压/(2n-1)/2相对量化误差=1/2*1/量化电平数目*100%例：满量程电压=10V，A/D变换器位数=10位，则 绝对
12、量化误差 10/211=4.88mV 相对量化误差 1/211*100%=0.049%第25 页，本讲稿共39 页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05V、010V等。第26 页，本讲稿共39 页典型的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 P359第27 页，本讲稿共39 页引脚功能 n D7D0：输出数据线（三态）n IN0IN7：8通道（路）模拟输入n ADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道选择）n ALE：通道地址锁存n START
13、：启动转换n EOC：转换结束，可用于查询或作为中断申请n OE：输出允许（打开输出三态门）n CLK：时钟输入（10KHz1.2MHz）n VREF(+)、VREF(-)：基准参考电压第28 页，本讲稿共39 页ADC0809 内部结构 P360START EOC CLK OED7D0VREF(+)VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7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D/A8个模拟输入通道8选1第29 页，本讲稿共39 页工作时序 第30 页，本讲稿共39 页ADC0809 的工作过程根据时序图，ADC0809的工
14、作过程如下：把通道地址送到ADDAADDC上，选择模拟输入；在通道地址信号有效期间，ALE上的上升沿将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。第31 页，本讲稿共39 页ADC0809 与系统的连接 模拟输入端INi单路输入模拟信号可固定连接到任何一个输入端地址线根据输入线编号固定连接(高电平或低电平)多路输入模拟信号按顺序分别连接到输入端要转换哪一路输入，就将其编号送到地址线上(动态选择)单路输入时ADDCADDBADDAIN4ADC0809输入多路输入时A
15、DDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输入0输入1输入2输入3输入4CPU指定通道号+5V第32 页，本讲稿共39 页地址线ADDA-ADDC多路输入时，地址线不能接死，而是要通过一个接口芯片与数据总线连接。接口芯片可以选用：锁存器74LS273，74LS373等（要占用一个I/O地址）可编程并行接口8255（要占用四个I/O地址）CPU用一条OUT指令把通道地址通过接口芯片送给0809ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输入DB74LS273Q2Q1Q0 CP来自I/O译码D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3I
16、N4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#来自I/O译码D0-D7A1A0A1A0第33 页，本讲稿共39 页 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相连上述两种方法均需占用一个I/O地址D0-D7ADC0809DBOE来自I/O译码D0-D7ADC0809DBOE来自I/O译码直接连DB通过输入接口连DB74LS244+5VDIDOE1#E2#第34 页，本讲稿共39 页地址锁存ALE和启动转换START两种连接方法：独立连接：用两个信号分别进行控制需占用两个I/O端口或两个I/O线(用8255时)；统一连接：用一个脉冲信号的上升沿进
17、行地址锁存，下降沿实现启动转换只需占用一个I/O端口或一个I/O线(用8255时)，P362图。ADC0809ALESTART独立连接来自I/O译码1来自I/O译码2ADC0809ALESTART统一连接来自I/O译码第35 页，本讲稿共39 页 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D0(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IR端在中断服务程序中读入转换结果，效率高第36 页，本讲稿共39 页D0IN0A15-A0IOR#IOW#D7D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA译码器ADC0809一个连接实例第37 页，本讲稿共39 页