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微机原理及应用 第8章 模拟量的输入输出,主 讲： 肖 洁,tel: 3301352 email:xiaojie040825,一. 模拟量与数字量,模拟/数字转换器 adc,dac 数字/模拟转换器,模拟量,连续变化的物理量,数字量,时间和数值上都离散的量,二. 模拟输入输出系统(1),传感器:测量各种现场的物理量,并转换成电信号 （模拟电压或电流）,放大器:放大传感器输出的信号到adc所需的量程范围,低通滤波器:降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比,多路开关:把多个现场信号分时地接通到a/d转换器,采样保持器:周期性地采样连续信号， 并在a/d转换期间保持不变,模拟接口电路的任务,模拟电路的任务,00101101,10101100,工 业 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,二. 模拟输入输出系统(2),8.2 数 / 模转换器（dac）,dac 数字/模拟转换器,模拟量,连续变化的物理量,数字量,时间和数值上都离散的量,按权相加,数字量 模拟量,一. d/a转换的基本原理,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：,一. d/a转换的基本原理,运放的放大倍数足够大时， vo与vin的关系： rf 反馈电阻 r 输入电阻,若输入端有n个支路,ri ：第i支路的输 入电阻 电阻值为2irf,如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,若si=1,该项对vo有贡献 若si=0,该项对vo无贡献,相对应的电路 (图中n=8)：,权电阻网络,用8位二进制代码控制s1s8 (di=1时si闭合；di=0时si断开) 根据二进制代码的不同，输出电压vo也不同。 构成了8位的d/a转换器,当代码在0ffh之间变化时， vo相应地在0(255/256)vref之间变化。 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 【只用两种阻值的电阻(r和2r)】,2. d/a转换器的原理图（1）,vavref vbvref/2 vcvref/4 vdvref/8,i0vd/2rvref/（82r） i1vd/2rvref/（42r） i2vd/2rvref/（22r） i3vd/2rvref/（12r）,iout1i0i1i2i3,rfbr,voutiout1rfb,2. d/a转换器的原理（2）,iout1i0i1i2i3 vref / 2r（1/81/41/21）,vout iout1rfb vref（20212223）/24,vout（d/2n）vref,二. d/a转换器的参数指标,1）分辨率（resolution） （1）定义：输入的二进制数每1个最低有效位(lsb) 使输出变化的程度 （2）表示：用输入数字量的位数（8位、10位） （3）例如： 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,所能分辨的最小电压增量,敏感性,2）转换精度（误差）,（1）定义：实际输出值与理论值之间的最大偏差 （2）包括：非线性误差、比例系数误差，漂移误差，等综合误差 （3）表示：最小量化阶 （如1/2 lsb）least significant bit 满量程的百分比（如0.05% fsr） full scale range 3）线性度 理想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 非线性误差：理想的输入输出特性的偏差与满刻度输入之比的百分数 线性度：非线性误差的大小,4）输出电平：一般为5v10v， 高压输出型：24v30v 5）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 温度系数，电源抑制比，馈送误差等,三. dac0832,1. 内部结构,8位电流输出型通用芯片,ile：输入锁存允许 cs： 片选信号（低） wr1：写输入锁存器（低） 功能：数据写入输入锁存器,wr2：写dac寄存器（低） xfer：允许输入锁存器的 数据传送到dac寄存器 功能：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：模拟地和数字地,2. dac0832的工作方式：直通锁存器,le1，直通（输出等于输入） le0，锁存（输出保持不变）,1）dac0832的工作方式：直通方式,le1le21 输入的数字数据直接进入d/a转换器,2）dac0832的工作方式：单缓冲方式,le11，或le21 两个寄存器之一始终处于直通状态 另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）,3）dac0832的工作方式：双缓冲方式,两个寄存器都处于受控（缓冲）状态 够对一个数据进行d/a转换的同时，输入另一个数据,3.电压输出,1）单极性 voutiout1rfb （d/28）vref,5v,dffh255时，,d00h=00h时，,一个最低有效位（lsb）电压,vmax（255/256）5v4.98v,vmin（0/256）5v0v,d01h时，,vlsb（1/256）5v0.02v,dffh255时，vmax（255128）/1285v4.96v d00h时，vmin（0128）/1285v5v d81h129时，一个最低有效位电压： vlsb（129128/1285v0.04v,2) 双极性电压输出,r2r32r1,5v,vout（d27）/27）vref,4. 输出精度的调整,5. 地线的连接,6. dac芯片与主机的连接,dac芯片相当于一个“输出设备”， 至少需要一级锁存器作为接口电路 两种情况： 1. 主机位数等于或大于dac芯片位数 2. 主机位数小于dac芯片位数,1. 主机位数 = dac芯片位数,mov al, buf mov dx, portd out dx, al,dac0832单缓冲方式,2. 主机位数 dac芯片位数,数字数据需要多次输出 接口电路 需要多个（级）锁存器 需要同时将完整的数字量提供给dac转换器,1）两级锁存电路,简化的两级锁存电路,mov al, bl mov dx,port1 out dx, al mov dx,port2 mov al, bh out dx, al,0832芯片的应用,1. 输出正向锯齿波,mov dx, portd mov al, 0 repeat:out dx, al inc al jmp repeat,双缓冲方式同步转换举例,port1：0832-1的输入寄存器,port2：0832-2的输入寄存器,port3：0832-1/2的dac寄存器,程序：,mov al，data ; 要转换的数据送al mov dx，port1 ; 0832-1的输入寄存器地址送dx out dx，al ; 数据送0832-1的输入寄存器 mov dx，port2 ; 0832-2输入寄存器地址送dx out dx，al ; 数据送0832-2的输入寄存器 mov dx，port3 ; dac寄存器端口地址送dx out dx，al ; 数据送dac寄存器，并启动同步转换hlt,8.3 a/d转换器,模拟量,数字量,一、 a/d转换的基本原理,4种常用的转换技术 计数器式 逐次逼近式 双积分式 并行式,1. 计数器式：,以最低位为增量单位的逐步计数法,特点：速度慢,2. 逐次逼近式：,从最高位开始的逐位试探法,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：用8个砝码20g，21g，27g，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” （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，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,特点：转换精度高，速度快,3. 双积分式,两个积分阶段实质：电压/时间变换,精度 1）量化间隔(分辨率) = vmax/电平数 (满量程值) 8位adc的满量程电压为5v，分辨率 5v/255=19.6mv 2）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) 3）绝对量化误差 = 量化间隔/2 = 【满量程电压/(2n-1)】/2 4）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： 绝对量化误差 10/211 = 4.88mv 相对量化误差 1/211 100% = 0.049%,二、 主要技术指标,2. 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。 3. 输入动态范围：允许转换的电压的范围。 如05v、010v等,三、 adc0809芯片,具有a/d转换的基本功能 cmos工艺制作 8位逐次逼近式adc 转换时间为100 s 包含扩展部件 多路开关 三态锁存缓冲器,1. adc0809的结构和引脚,1）内部结构,2）引脚,d7d0： 输出数据线（三态） in0in7：8通道（路）模拟输入 adda、addb、addc： 通道地址（通道选择） ale： 通道地址锁存 start： 启动转换 eoc： 转换结束， 用于查询或作为中断申请 oe： 输出允许（打开输出三态门） clk： 时钟输入 （10khz1.2mhz） vref(+)、vref(-)：基准参考电压,adc0809的工作过程, 把通道地址送到addaaddc上，选择模拟输入； ale上的上升沿锁存通道地址信号到内部地址锁存器； 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,3. adc0809的数字输出,当输出允许信号oe1时， 将三态锁存缓冲器的数字量从d0d7输出,4. adc0809芯片与主机的连接,adc芯片 相当于“输入设备” 需要接口电路提供数据缓冲器 主机 控制转换的启动 获知转换是否结束， 输入数据,adc0809与系统的连接,1）模拟输入端ini （1）单路输入 模拟信号：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) （2）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，将其编号送到地址线上(动态选择）,adc0809与系统的连接,2）地址线adda-addc 多路输入时通过接口芯片与数据总线连接 锁存器：74ls273，74ls373（要占用一个i/o地址） 8255（要占用四个i/o地址） out： 通道地址通过接口芯片送给0809,adc0809与系统的连接,3）数据输出线d0-d7 可直接连到db上 可通过一个输入接口与db相连,adc0809与系统的连接,4）地址锁存ale和启动转换start 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),5. a/d转换的启动（1）,两种启动信号 （1）脉冲信号启动转换 （2）电平信号启动转换,5. a/d转换的启动（2）,主机产生启动信号的方法 1）编程启动 软件上，执行一个输出指令 硬件上，利用输出指令产生adc启动脉冲 2）定时启动 启动信号来自定时器输出,adc0809与系统的连接,6 . 转换结束eoc 软件延时等待(如延时1ms)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,7. 连接实例（1）,adc0809程序(1),用延时等待的方法 mov dx, start_port out dx, al ;启动转换 call delay_1ms ;延时1ms mov dx, oe_port in al, dx ;读入结果 用查询eoc状态的方法 mov dx, start_port out dx, al ;启动转换 ll: mov dx, eoc_port in al, dx ;读入eoc状态 and al, 01h ;测试第0位(eoc状态位) jz ll ;未转换完，则循环检测 mov dx, oe_port in al, dx ;读入结果 ,7. 连接实例（2）,编程启动、转换结束中断处理,7. 连接实例（2）,;数据段 adtemp db 0 ；给定一个临时变量 ;代码段 ；设置中断向量等工作 sti ；开中断 mov dx,220h out dx,al ；启动a/d转换 ；其他工作,中断服务程序,adint proc sti ;开中