模擬量的輸入輸出

模擬量I/O接口的作用：實際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境——連續(xù)變化的模擬量

例如：電壓、電流、壓力、溫度、位移、流量

計算機內(nèi)部——離散的數(shù)字量二進制數(shù)、十進制數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制

概述模擬量D/A傳感器執(zhí)行元件A/D數(shù)字量數(shù)字量模擬量模擬量輸入(數(shù)據(jù)采集)模擬量輸出(過程控制)計算機8.1模擬量輸入輸出通道工業(yè)現(xiàn)場傳感器變送器信號處理環(huán)節(jié)多路轉(zhuǎn)換開關采樣保持電路A/D轉(zhuǎn)換器微型計算機鎖存器輸入輸出接口D/A轉(zhuǎn)換器低通濾波驅(qū)動放大執(zhí)行器件模擬量輸入通道傳感器（Transducer）非電量→電壓、電流

變送器（Transformer）轉(zhuǎn)換成標準的電信號信號處理（SignalProcessing）放大、整形、濾波

多路轉(zhuǎn)換開關（Multiplexer）多選一采樣保持電路（SampleHolder，S/H）保證變換時信號恒定不變A/D變換器（A/DConverter）模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量

模擬量輸出通道D/A變換器（D/AConverter）數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量低通濾波平滑輸出波形放大驅(qū)動提供足夠的驅(qū)動電壓，電流8.2數(shù)/模轉(zhuǎn)換器1、D/A工作原理：數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應的模擬量。數(shù)字量由二進制位組成，每個二進制位的權(quán)為2i，把每一位上的代碼按權(quán)轉(zhuǎn)換成對應的模擬電流，再把模擬電流相加，最后由運算放大器將其轉(zhuǎn)變成模擬電壓。電阻網(wǎng)絡運算放大器模擬開關

模擬電壓輸出

D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖N位數(shù)字量輸入……2、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標分辨率：是用來度量D/A轉(zhuǎn)換器對數(shù)字輸入量變化的敏感程度，它表示輸入每變化一個單位使輸出變化的程度。通常可以用數(shù)字量的位數(shù)表示，位數(shù)越多分辯率越高。例如：8位的D/A轉(zhuǎn)換器，基準電壓＝5V

分辨率＝5000mV/28＝20mV

分辨率是對轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量精度：是轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果與理論值的誤差。轉(zhuǎn)換時間：電流型的一般為幾微秒到幾百微秒；電壓型的轉(zhuǎn)換較慢。線性度：當輸入數(shù)字量變化時，輸出模擬量變化的線性程度；8.3模/數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器是把生產(chǎn)現(xiàn)場測得的連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。A/D轉(zhuǎn)換的方式很多，常見的有四種：計數(shù)式、逐次逼近式、雙斜率積分式、并行比較式；8.2數(shù)/模（D/A）變換器8.2.1D/A變換器的基本原理及技術(shù)指標D/A變換器的基本工作原理組成：模擬開關、電阻網(wǎng)絡、運算放大器

兩種電阻網(wǎng)絡：權(quán)電阻網(wǎng)絡、R-2R梯形電阻網(wǎng)絡基本結(jié)構(gòu)如圖：VrefRf

模擬開關電阻網(wǎng)絡VO數(shù)字量∑D/A變換原理運放的放大倍數(shù)足夠大時，輸出電壓VO與輸入電壓Vin的關系為：式中：Rf

為反饋電阻R

為輸入電阻VinRf

VO∑R

若輸入端有n個支路,則輸出電壓VO與輸入電壓Vi的關系為：VinRf

VO∑R1式中：Ri

為第i支路的輸入電阻Rn…令每個支路的輸入電阻為2iRf,并令Vin為一基準電壓Vref，則有如果每個支路由一個開關Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si斷開，則上式變換為

若Si=1,該項對VO有貢獻若Si=0,該項對VO無貢獻2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf

VOS1S2S3S4S5S6S7S8與上式相對應的電路如下(圖中n=8)：

圖中的電阻網(wǎng)絡就稱為權(quán)電阻網(wǎng)絡如果用8位二進制代碼來控制圖中的S1～S8(Di=1時Si閉合；Di=0時Si斷開)，那么根據(jù)二進制代碼的不同，輸出電壓VO也不同，這就構(gòu)成了8位的D/A轉(zhuǎn)換器。可以看出，當代碼在0～FFH之間變化時，VO相應地在0～-(255/256)Vref之間變化。為控制電阻網(wǎng)絡各支路電阻值的精度，實際的D/A轉(zhuǎn)換器采用R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(見下頁)，它只用兩種阻值的電阻(R和2R)。R-2R梯形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標分辨率（Resolution）輸入的二進制數(shù)每±1個最低有效位(LSB)使輸出變化的程度。一般用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示:如8位、10位例：一個滿量程為5V的10位DAC，±1

LSB的變化將使輸出變化5/(210-1)=5/1023=0.04888V=48.88mV轉(zhuǎn)換精度（誤差）實際輸出值與理論值之間的最大偏差。一般用最小量化階⊿來度量，如±1/2LSB

也可用滿量程的百分比來度量，如0.05%FSR(LSB-LeastSignificantBit,FSR-FullScaleRange)

轉(zhuǎn)換時間從開始轉(zhuǎn)換到與滿量程值相差±1/2LSB所對應的模擬量所需要的時間tV1/2LSBtCVFULL8.2.2典型D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832特性：8位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器T型電阻網(wǎng)絡差動輸出引線圖見教材p351DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)8.1模擬量I/O通道的組成模擬接口電路的任務模擬電路的任務0010110110101100工業(yè)生產(chǎn)過程傳感器放大濾波多路轉(zhuǎn)換&采樣保持A/D轉(zhuǎn)換放大驅(qū)動D/A轉(zhuǎn)換輸出接口微型計算機執(zhí)行機構(gòu)輸入接口物理量變換信號處理信號變換I/O接口輸入通道輸出通道引腳功能D7～D0：輸入數(shù)據(jù)線ILE：輸入鎖存允許CS#：片選信號WR1#：寫輸入鎖存器上述三個信號用于把數(shù)據(jù)寫入到輸入鎖存器WR2#：寫DAC寄存器XFER#：允許輸入鎖存器的數(shù)據(jù)傳送到DAC寄存器

上述二個信號用于啟動轉(zhuǎn)換VREF：參考電壓，-10V～+10V，一般為+5V或+10VIOUT1、IOUT2：D/A轉(zhuǎn)換差動電流輸出，接運放的輸入Rfb：內(nèi)部反饋電阻引腳，接運放輸出AGND、DGND：模擬地和數(shù)字地工作時序D/A轉(zhuǎn)換可分為兩個階段：CS#=0、WR1#=0、ILE=1，使輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器；WR2#=0、XFER#=0，數(shù)據(jù)傳送到DAC寄存器，并開始轉(zhuǎn)換。寫輸入寄存器寫DAC寄存器工作方式單緩沖方式使輸入鎖存器或DAC寄存器二者之一處于直通。CPU只需一次寫入即開始轉(zhuǎn)換?？刂票容^簡單。見教材p352圖。雙緩沖方式（標準方式）轉(zhuǎn)換要有兩個步驟：將數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器CS#=0、WR1#=0、ILE=1將輸入寄存器的內(nèi)容寫入DAC寄存器WR2#=0、XFER#=0

優(yōu)點：數(shù)據(jù)接收與D/A轉(zhuǎn)換可異步進行；可實現(xiàn)多個DAC同步轉(zhuǎn)換輸出——分時寫入、同步轉(zhuǎn)換直通方式使內(nèi)部的兩個寄存器都處于直通狀態(tài)。模擬輸出始終跟隨輸入變化。不能直接與數(shù)據(jù)總線連接，需外加并行接口(如74LS373、8255等)。雙緩沖方式——同步轉(zhuǎn)換舉例A10-A0譯碼器0832-10832-2port1port2port3雙緩沖方式的程序段示例本例中三個端口地址的用途：

port1選擇0832-1的輸入寄存器

port2選擇0832-2的輸入寄存器port3選擇0832-1和0832-2的DAC寄存器MOVAL，data

;要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送ALMOVDX，port1;0832-1的輸入寄存器地址送DXOUTDX，AL;數(shù)據(jù)送0832-1的輸入寄存器MOVDX，port2;0832-2輸入寄存器地址送DXOUTDX，AL;數(shù)據(jù)送0832-2的輸入寄存器MOVDX，port3;DAC寄存器端口地址送DXOUTDX，AL;數(shù)據(jù)送DAC寄存器，并啟動同步轉(zhuǎn)換HLTD/A轉(zhuǎn)換器的應用函數(shù)發(fā)生器——只要往D/A轉(zhuǎn)換器寫入按規(guī)律變化的數(shù)據(jù)，即可在輸出端獲得正弦波、三角波、鋸齒波、方波、階梯波、梯形波等函數(shù)波形。直流電機的轉(zhuǎn)速控制。例子參見p354-p356。8.3模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器用途將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于計算機進行處理。常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。類型計數(shù)型A/D變換器雙積分型A/D變換器逐位反饋型A/D變換器

8.3.1工作原理及技術(shù)指標逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)：由D/A轉(zhuǎn)換器、比較器和逐次逼近寄存器SAR組成。見P238頁圖。工作原理

類似天平稱重量時的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量去逼近被稱物體。例如：用8個砝碼20g，21g，…，27g，可以稱出1～255g之間的物體。現(xiàn)有一物體，用砝碼稱出其重量（假定重量為176g）。1）ADC從高到低逐次給SAR的每一位“置1”（即加上不同權(quán)重的砝碼），SAR相當于放法碼的稱盤；2）每次SAR中的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為電壓VC

；3）VC與輸入電壓Vi比較，若VC≤Vi，保持當前位的‘1’，否則當前位‘置0’；4）從高到低逐次比較下去，直到SAR的每一位都嘗試完；5）SAR內(nèi)的數(shù)據(jù)就是與Vi相對應的2進制數(shù)。主要技術(shù)指標精度量化間隔(分辨率)=Vmax/電平數(shù)(即滿量程值)例：某8位ADC的滿量程電壓為5V，則其分辨率為5V/255=19.6mV

量化誤差:用數(shù)字（離散）量表示連續(xù)量時，由于數(shù)字量字長有限而無法精確地表示連續(xù)量所造成的誤差。(字長越長，精度越高)絕對量化誤差=量化間隔/2=(滿量程電壓/(2n-1))/2

相對量化誤差=1/2*1/量化電平數(shù)目*100%例：滿量程電壓=10V，A/D變換器位數(shù)=10位，則絕對量化誤差≈10/211=4.88mV相對量化誤差≈1/211*100%=0.049%主要技術(shù)指標（續(xù)）轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換一次需要的時間。精度越高（字長越長），轉(zhuǎn)換速度越慢。輸入動態(tài)范圍允許轉(zhuǎn)換的電壓的范圍。如0～5V、0～10V等。典型的A/D轉(zhuǎn)換器簡介ADC08098通道（8路）輸入8位字長逐位逼近型轉(zhuǎn)換時間100μs內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器外部引腳見教材p359引腳功能D7～D0：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）IN0～IN7：8通道（路）模擬輸入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道選擇）ALE：通道地址鎖存START：啟動轉(zhuǎn)換EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束，可用于查詢或作為中斷申請OE：輸出允許（打開輸出三態(tài)門）CLK：時鐘輸入（10KHz～1.2MHz）VREF(+)、VREF(-)：基準參考電壓ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)STARTEOCCLKOED7D0VREF(+)VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比較器8路模擬開關逐位逼近寄存器SAR樹狀開關電阻網(wǎng)絡三態(tài)輸出鎖存器時序與控制地址鎖存及譯碼D/A8個模擬輸入通道8選1工作時序①②③④⑤ADC0809的工作過程根據(jù)時序圖，ADC0809的工作過程如下：①把通道地址送到ADDA～ADDC上，選擇模擬輸入；②在通道地址信號有效期間，ALE上的上升沿該地址鎖存到內(nèi)部地址鎖存器；③START引腳上的下降沿啟動A/D變換；

④變換開始后，EOC引腳呈現(xiàn)低電平，EOC重新變?yōu)楦唠娖綍r表示轉(zhuǎn)換結(jié)束；⑤OE信號打開輸出鎖存器的三態(tài)門送出結(jié)果。ADC0809與系統(tǒng)的連接模擬輸入端INi單路輸入模擬信號可固定連接到任何一個輸入端地址線根據(jù)輸入線編號固定連接(高電平或低電平)多路輸入模擬信號按順序分別連接到輸入端要轉(zhuǎn)換哪一路輸入，就將其編號送到地址線上(動態(tài)選擇)單路輸入時ADDCADDBADDAIN4ADC0809輸入多路輸入時ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸入0輸入1輸入2輸入3輸入4CPU指定通道號+5V地址線ADDA-ADDC多路輸入時，地址線不能接死，而是要通過一個接口芯片與數(shù)據(jù)總線連接。接口芯片可以選用：鎖存器74LS273，74LS373等（要占用一個I/O地址）可編程并行接口8255（要占用四個I/O地址）CPU用一條OUT指令把通道地址通過接口芯片送給0809ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸入DB74LS273Q2Q1Q0CP來自I/O譯碼D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#來自I/O譯碼D0-D7A1A0A1A0

數(shù)據(jù)輸出線D0-D7內(nèi)部已接有三態(tài)門，故可直接連到DB上也可另外通過一個輸入接口與DB相連上述兩種方法均需占用一個I/O地址D0-D7ADC0809DBOE來自I/O譯碼D0-D7ADC0809DBOE來自I/O譯碼直接連DB通過輸入接口連DB74LS244+5VDIDOE1#E2#地址鎖存ALE和啟動轉(zhuǎn)換START兩種連接方法：獨立連接：用兩個信號分別進行控制——需占用兩個I/O端口或兩個I/O線(用8255時)；統(tǒng)一連接：用一個脈沖信號的上升沿進行地址鎖存，下降沿實現(xiàn)啟動轉(zhuǎn)換——只需占用一個I/O端口或一個I/O線(用8255時)，參見教材p362圖。

ADC0809ALESTART獨立連接來自I/O譯碼1來自I/O譯碼2ADC0809ALESTART統(tǒng)一連接來自I/O