微機(jī)原理 第8章

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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,第,8,章 模擬量的輸入輸出,本章內(nèi)容,模擬量輸入輸出通道的組成,D/A,轉(zhuǎn)換器,原理及連接使用方法,A/D,轉(zhuǎn)換器,原理及連接使用方法,數(shù)據(jù)采集,A/D,、,D/A,接口設(shè)計要點,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(jī)內(nèi)部,離散的數(shù)字量,二進(jìn)制數(shù)、十進(jìn)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

2、,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(jī),8.1,模擬量,I/O,通道的組成,模擬接口電路的任務(wù),模擬電路的任務(wù),00101101,10101100,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(jī),執(zhí)行機(jī)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,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(biāo)準(zhǔn)的電信號,信號處理（,Signal Processing,）

3、,放大、整形、濾波,多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（,Multiplexer,）,多選一,采樣保持電路（,Sample Holder,，,S/H,）,保證變換時信號恒定不變,A/D,變換器（,A/D Converter,）,模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,模擬量輸出通道,D/A,變換器（,D/A Converter,）,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（,D/A,）變換器,8.2.1 D/A,變換器的基本原理及技術(shù)指標(biāo),D/A,變換器的基本工作原理,組成：模擬開關(guān)、,電阻網(wǎng)絡(luò),、運(yùn)算放大器,兩種電阻網(wǎng)絡(luò)：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、,R-2R,梯形電阻網(wǎng)絡(luò),基本結(jié)構(gòu)如圖：,

4、V,ref,R,f,模擬開關(guān),電阻網(wǎng)絡(luò),V,O,數(shù)字量,D/A,變換原理,運(yùn)放的放大倍數(shù)足夠大時，輸出電壓,V,O,與輸入電壓,V,in,的關(guān)系為：,式中：,R,f,為反饋電阻,R,為輸入電阻,V,in,R,f,V,O,R,若輸入端有,n,個支路,則輸出電壓,V,O,與輸入電壓,V,i,的關(guān)系為：,V,in,R,f,V,O,R,1,式中：,R,i,為第,i,支路的輸,入電阻,R,n,令每個支路的輸入電阻為,2,i,R,f,并令,V,in,為一基準(zhǔn)電壓,V,ref,，則有,如果每個支路由一個開關(guān),S,i,控制，,S,i,=1,表示,S,i,合上，,S,i,=0,表示,S,i,斷開，則上式變換為,

5、若,S,i,=1,該項對,V,O,有貢獻(xiàn),若,S,i,=0,該項對,V,O,無貢獻(xiàn),2R,4R,8R,16R,32R,64R,128R,256R,V,ref,R,f,V,O,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,與上式相對應(yīng)的電路如下,(,圖中,n=8),：,圖中的電阻網(wǎng)絡(luò)就稱為,權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò),如果用,8,位二進(jìn)制代碼來控制圖中的,S,1,S,8,(D,i,=1,時,S,i,閉合；,D,i,=0,時,S,i,斷開,),，那么根據(jù)二進(jìn)制代碼的不同，輸出電壓,V,O,也不同，這就構(gòu)成了,8,位的,D/A,轉(zhuǎn)換器。,可以看出，當(dāng)代碼在,0,FFH,之間變化時，,V,O,相應(yīng)地在,0,-(25

6、5/256)V,ref,之間變化。,為控制電阻網(wǎng)絡(luò)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(luò),(,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(luò),D/A,轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),分辨率（,Resolution,）,輸入的二進(jìn)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/(2,10,-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

7、偏差。,一般用最小量化階,來度量，如,1/2 LSB,也可用滿量程的百分比來度量，如,0.05%FSR,(LSB-Least Significant Bit,FSR-Full Scale Range),轉(zhuǎn)換時間,從開始轉(zhuǎn)換到與滿量程值相差,1/2 LSB,所對應(yīng)的模擬量所需要的時間,t,V,1/2 LSB,t,C,V,FULL,8.2.2,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(luò),差動輸出,引線圖見教材,p331,DAC0832,內(nèi)部結(jié)構(gòu),引腳功能,D,7,D,0,：輸入數(shù)據(jù)線,ILE,：輸入鎖存允許,CS#,：片選信號,WR,1,#,：寫

8、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,WR,2,#,：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,V,REF,：參考電壓，,-10V,+10V,，一般為,+5V,或,+10V,I,OUT1,、,I,OUT2,：,D/A,轉(zhuǎn)換差動電流輸出，接運(yùn)放的輸入,R,fb,：內(nèi)部反饋電阻引腳，接運(yùn)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)

9、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,p333,圖。,雙緩沖方式（標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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,74L

10、S373,、,8255,等,),。,雙緩沖方式,同步轉(zhuǎn)換舉例,A,10,-A,0,譯碼器,0832-1,0832-2,port1,port2,port3,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,MOV AL,，,data,;,要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送,AL,MOV DX,，,port1,;,0832-1,的輸入寄存器地址送,DX,OUT DX,，,AL ;,數(shù)據(jù)送,0832-1,的輸入寄存器,MOV DX,，,port2,;,083

11、2-2,輸入寄存器地址送,DX,OUT DX,，,AL ;,數(shù)據(jù)送,0832-2,的輸入寄存器,MOV DX,，,port3,;,DAC,寄存器端口地址送,DX,OUT DX,，,AL ;,數(shù)據(jù)送,DAC,寄存器，并啟動同步轉(zhuǎn)換,HLT,D/A,轉(zhuǎn)換器的應(yīng)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(jī)的轉(zhuǎn)速控制。,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(jī)進(jìn)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

12、饋型,A/D,變換器,8.3.1,工作原理及技術(shù)指標(biāo),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。見教材。,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,2,0,g,，,2,1,g,，,，,2,7,g,，可以稱出,1,255g,之 間的物體?，F(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(dāng)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,V,C,；,3,）,V,C,與

13、輸入電壓,V,i,比較，若,V,C,V,i,，保持當(dāng)前位的,1,，否則當(dāng)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,V,i,相對應(yīng)的,2,進(jìn)制數(shù)。,主要技術(shù)指標(biāo),精度,量化間隔,(,分辨率,)=,V,max,/,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,/(2,n,-1)/2

14、,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,10/2,11,=4.88mV,相對量化誤差,1/2,11,*100%=0.049%,主要技術(shù)指標(biāo)（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,ADC0809,8,通道（,8,路）輸入,8,位字長,逐位逼近型,轉(zhuǎn)換時間,100s,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,IN

15、7,：,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,）,V,REF,(+),、,V,REF,(-),：基準(zhǔn)參考電壓,ADC0809,內(nèi)部結(jié)構(gòu),START EOC CLK,OE,D7,D0,VREF(+)VREF(-),ADDC,ADDB,ADDA,ALE,IN0,IN7,比較器,8,路模擬開關(guān),逐位逼近寄存器,SAR,樹狀開關(guān),電阻網(wǎng)絡(luò),三態(tài)輸出鎖存器,時序與控制,地址鎖存及,

16、譯碼,D/A,8,個模擬輸入通道,8,選,1,工作時序,ADC0809,的工作過程,根據(jù)時序圖，,ADC0809,的工作過程如下：,把,通道地址送到,ADDA,ADDC,上,，選擇模擬輸入；,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；,START,引腳上的,下降沿,啟動,A/D,變換；,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；,OE,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,IN,i,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,ADDC,ADDB,ADDA,IN4,ADC0809,輸入,多路輸入時,ADDC,ADDB,ADDA,IN0,IN1,IN2,IN3,IN4,ADC0809,輸入,0,輸入,1,輸入,2,輸入,3,輸入,4,CPU,指定,通道號,+5V,地址線,ADDA-ADDC,多路輸入時，地址線不