微机原理01--0808模拟量输入输出.ppt

1 第8章模拟量的输入输出 8 1模拟量输入输出通道的组成8 2数 模 D A 转换8 3模数 A D 转换 2 8 1模拟量输入输出通道的组成模拟量输入输出通道是微型计算机与控制对象之间的一个重要接口 也是实现工业过程控制的重要组成部分 工业生产中 需要测量和控制的物理量往往是连续变化的电流 电压 温度 压力 位移 流量等 利用计算机实现对工业生产过程的自动监测和控制 必须能够将生产过程中监测设备输出的连续变化的模拟量转变为计算机能够识别和接受的数字量 能够将计算机发出的控制命令转换为相应的模拟信号 去驱动模拟调节执行机构 这样两个过程 都需要模拟量的输入和输出通道来完成 3 模拟量的输入输出通道结构图 4 8 1 1模拟量的输入通道传感器 是用于将工业生产现场的某些非电物理量转换为电量的器件 例如温度传感器 温度电压信号 压力传感器 压力的变化电信号2 变送器 将传感器的输出信号转换成0 10mA 4 20mA的统一电流信号或者0 5V的电压信号 传感器输出的电信号都比较微弱 有些传感器的输出甚至是电阻值 电容值等非电量 为了易于与信号处理环节衔接 需要将这些微弱电信号及电阻值等非电量转换成统一的电信号 变送器就是实现这一功能的器件 5 3 信号处理环节 将变送器输出的信号进行放大或处理成与A D转换器所要求的输入相适应的电压水平 信号处理环节主要包括信号的放大及干扰信号的去除4 多路转换开关 在数据采集系统中 需要采集的模拟量一般比较多 且不少模拟量是缓慢变化的信号 对这类模拟信号的采集 可采用多路模拟开关 使多个模拟信号共用一个A D转换器进行采样和转换 以降低成本 6 5 采样保持电路 在数据采样期间 保持输入信号不变的电路称为采样保持电路 由输入模拟信号连续变化 A D转换器完成一次转换需要一定转换时间 对变化较快的模拟输入信号 如果在转换期间输入信号变化 引起转换误差 所以增加一级采样保持电路 保证在转换过程中输入信号保持在其采样时的值 6 模数A D转换器 将输入的模拟信号转换成计算机能够识别的数字信号 以便计算机进行分析和处理 7 8 1 2模拟量的输出通道计算机的输出信号是数字信号 而有的控制执行元件要求提供模拟的输入电流或电压信号 需要将计算机输出的数字量转换为模拟量 由模拟量的输出通道来完成 将数字量转换为模拟量同样需要一定的转换时间 要求在整个转换过程中待转换的数字量要保持不变 而计算机的运行速度很快 其输出的数据在数据总线上稳定的时间很短 因此 在计算机与D A转换器之间必须加一级锁存器以保持数字量的稳定 D A转换器的输出端一般还要加上低通滤波器 以平滑输出波形 为了能够驱动执行器件 需要将输出的小功率的模拟量加以放大 8 8 2数模转换器 D A 8 2 1D A转换器的基本原理及技术指标D A转换器的基本工作原理D A转换器的作用是将数字量转换为模拟量 数字量由二进制位组成 每个二进制位的权为2i 要把数字量转换为模拟电压 需要先把数字量的每一位上的代码按权转换成对应的模拟电流 再把模拟电流相加 最后由运算放大器将其转换成模拟电压 9 A D转换器结构示意图 10 11 12 如果R1 21R R2 22R Rn 2nR 即每一位电阻值都具有权值2j 且由一个开关Sj控制 当Sj闭合时Sj 1 Sj断开时Sj 0 令则讨论 当所有开关Sj断开时 Vo 0 当所有开关Sj闭合时 最大 13 D A转换的基本原理 如果用二进制编码来控制每一路的Sj 当第i路的二进制码为1时 使第j位的Sj闭合 第j路的二进制码为0时 使对应的Sj断开 则数字量的变化就转换成了模拟量的变化 D A转换器的转换精度与基准电压Vref和权电阻Rj的精度以及数字量的位数j有关 位数越多 转换精度越高 同时所需的权电阻的种类就越多 在集成电路中制造高阻值的精密电阻比较困难 因此常用T形电阻网络代替权电阻网络 14 输出电压Vo正比于输入数字量Dn 幅度大小由Vref和Rf R的比值决定 15 将待转换的数字量D0 D7通过数据缓冲器送至数据锁存器 保证转换过程中数字量的稳定 锁存器的输出接到多路模拟开关 使数据信号的高低电平转变成相应的开关状态 各位模拟开关输出的电流通过电阻网络进行加权 合成一个与输入数字量等效的模拟电流信号再经过驱动放大电路 形成模拟量的输出 16 2 D A转换器的主要技术指标分辨率 分辨率是D A转换器对数字输入量变化的敏感程度的度量 它表示输入每变化一个最低有效位使输出变化的程度 可用数字量的位数来表示 如8位 10位等 输入数字量等于1时的电压值与输入数字量等于最大值时的满度电压值之比 例如 一个n位的D A转换器 若其满度电压值为V 其最低有效位对应的电压值就为V 2n一1 则该D A转换器的分辨率等于1 2n一1 17 2 转换精度 表示由于D A转换器的引入而使其输出和输入之间产生的误差 可用绝对转换精度或相对转换精度来表示 绝对转换误差是指实际的输出值与理论值之间的差距 它与D A转换器参考电压的精度 权电阻的精度等有关 相对转换精度是绝对转换精度与满量程输出之比 是常用的描述输出电压接近理想值程度的物理量 更具有实用性 例如 一个D A转换器的绝对转换精度为 0 05V 若输出满刻度值为5V 则其相对转换精度为 1 18 3 转换时间 当输入数字量满刻度变化 如全0到全1 时 从数字量输入到输出模拟量达到与终值相差 1 2LSB 最低有效位 相当的模拟量值所需的时间 它表示D A转换器的转换速率 4 线性误差 实际输出特性偏离理想转换特性的最大值 通常用最大差值折合成的数字量来表示 在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 即理想情况下 D A转换器的输入输出曲线是一条直线 但实际的输出特性曲线与理想的曲线之间存在一定的误差 5 动态范围 是指最大和最小输出值范围 19 8 2 2典型D A转换器芯片及其与系统的连接内部不包含数据输入寄存器 AD7520 AD7521不具备数据锁存能力 不能直接与系统总线连接 与CPU连接时 要在其与CPU之间增加数据锁存器 内部包含数据输入寄存器 DAC0832 AD77524可直接与系统总线连接 20 1 引线及内部结构 D0 D7 8位数据输入端CS 片选信号 低电平有效 ILE 输入寄存器选通命令 它与CS WR1一起将要转换的数据送入输入寄存器 WRl 输入寄存器的写入控制 WR2 数据变换寄存器写入控制 XFER 传送控制信号 它与WR2一起把输入寄存器的数据装入到数据变换寄存器 Iout1 Iout2 模拟电流输出端Rfb 反馈电阻引出端 接运放输出 Vref 参考电压输出端 21 DAC0832的内部结构示意图 22 2 工作方式及线路连接 1 单缓冲工作方式 是使输入寄存器或DAC寄存器中的任意一个工作在直通状态 而另一个工作在受控锁存状态 例如 使输入寄存器受控 DAC寄存器自通 则可将WR2和XFER接数字地 ILE接十5V 将CS接端口地址译码器输出 WR1接IOW信号 则当CPU向输入寄存器的端口地址发出写命令时 数据就写入输入寄存器 因为DAC直通 所以写入到寄存器的数据立即进行数模转换 23 完成D A转换的程序 MOVAL DATAMOVDX PORTOUTDX ALHLT 单缓冲工作方式 24 2 双缓冲工作方式 将数据写入输入寄存器 将输入寄存器的内容写入DAC寄存器 具体过程为 当ILE 1 CS WR1 0时 待转换的数据被写入输入寄存器 随后 WR1由低变高 数据出现在输入寄存器的输出端 在整个WRl为高电平期间 输入寄存器的输出端将不再随其输入端的变化而变化 从而保证了在数模转换时数据稳定不变 锁存在输入寄存器中的数据此时并不能进入DAC寄存器 只有当XFEE WR2 0时 数据才能写入DAC寄存器 并同时启动变换 25 双缓冲方式程序段 MOVAL DATAMOVDX PORT1OUTDX ALMOVDX PORT2OUTDX ALHLT 双缓冲方式下的电路连接 26 4 DAC0832的应用 1 信号源 DAC0832在单缓冲方式下可以直接与系统总线相连 即可以将它看作一个输出端口 每向该端口送一个8位数据 其输出端就会有相应的输出电压 通过编程 利用D A转换器产生各种不同的输出波形 例8 2 根据电路 编写一个输出锯齿波的程序 周期任意 DAC0832工作在单缓冲方式下 端口地址为0278H 27 0832的端口地址 0278H 28 分析 正向锯齿波 电压从最小值开始逐渐上升 上升到最大值时立刻跳变为最小值 如此往复 反向锯齿波 电压从最小值跳变为最大值 然后逐渐下降到最小值 只要从0开始往0832输出数据 每次加1 直到最大值FFH 然后再从0开始下一个周期 循环执行 得到正向锯齿波 先用0减1直接得到最大值FFH 然后每次减1 得到反向锯齿波 29 MOVDX 0278HMOVAL 0NEXT OUTDX ALDECALJMPNEXT 锯齿波不是平滑的波形 有255个小台阶 通过加滤波电路可以得到较平滑的锯齿波输出 也可以通过软件实现对输出波形周期和幅度的调整 30 例8 3 已知0832输出电压范围为0 5V 希望输出电压为1 4V 周期任意的正向锯齿波 分析 输出电压5V时 输入数字量为最大值255 1V电压对应的数字量 1 255 5 51 33H4V电压对应的数字量 4 255 5 204 CDH程序段 MOVDX 0278HNEXT1 MOXAL 33HNEXT2 OUTDX ALINCALCALLDELAYCMPAL 0CDHJNANEXT2JMPNEXT1DELAY MOVCX 100DELAY1 LOOPDELAY1RET 说明 子程序中设置不同的延时常数 可以实现输出信号周期的调整 实现了波形幅度的调整 31 8 3模数A D转换器 8 3 1A D转换器的工作原理及技术指标A D转换器的工作原理 逐次反馈型A D转换器的结构 数字量输出 32 例如 12位的A D转换器 输入的模拟电压为0 5V 输出的对应值为0 FFFH 最低有效位对应的输出电压为5 212 1 1 22mV 假设输入模拟电压为4 5V 转换过程如下 位序号比较表达式二进制值B114 5000 211 1 22 2V 01B102 0000 210 1 22 0 75V 01B90 7500 29 1 22 0 125V 01B80 1250 28 1 2201B50 0460 25 1 22 0 0069V 01B40 0069 24 1 2201B10 0021 21 1 22014 5V模拟电压111001100101B E65H 33 2 A D转换器主要技术指标1 精度 1 量化误差 分辨率 A D转换器的量化误差决定于A D转换器的转换特性 2 非线性误差 在整个变换量程范围内 数字量所对应的模拟输入信号的实际值与理论值之间的最大差值 理论上A D转换曲线应该是一条直线 即模拟输入与数字量输出之间应该是线性关系 但实际它们两者的关系并非呈线性 所谓非线性误差就是由于二者关系的非线性而偏离理想直线的最大值 常用多少LSB来表示 3 其它误差 电源波动引起的误差 温度漂移误差 零点漂移误差 参考电源误差等 34 例如 一个2位的A D转换器 当模拟量的值在0 0 5V范围变化时 数字量输出为000B 在0 5v 1 5v范围变化时 数字量输出为001B 实际模拟量与理论模拟量之差最大为 0 5v 这种误差是由转换特性造成的 是一种无法消除的原理性误差 数字量的每个变化间隔为1v 就是说模拟量在1v内的变化 不会使数字量发生变化 这个间隔称为量化间隔 35 例如 12位A D转换器 最大输入模拟电压为5V 5 4095 1 22mV量化误差 量化间隔 A D转换器的位数确定 其量化误差即确定 36 2 转换时间 完成一次A D转换所需要的时间 即从发出启动转换命令信号到转换结束信号有效之间的时间间隔 转换时间的倒数称为转换速率 频率 3 输入动态范围 量程 能够转换的模拟输入电压的变化范围 单极性 0 5V 0 10V 0 20V双极性 5V 5V 10V 10V 37 3 典型A D转换器芯片ADC0809ADC0809是逐位逼近型8位单片A D转换芯片 片内含8路模拟开关 可允许8个模拟量输入 片内带有三态输出缓冲器 因此可直接与系统总线相连 它的转换精度和转换时间都不是很高 但其性能价格比有较明显的优势 是目前应用较为广泛的芯片之一 1 ADC0809的引线D0 D7 输出数据线IN0 IN7 8路模拟电压输入端ADDA ADDB ADDC 通道地址选择用于选择8路中的1路输入 ADDA为最低位 ADDC为最高位 38 START 启动信号输入端ALE 通道地址锁存信号EOC 转换结束信号 EOC 0 正在转换 EOC 1 转换结束OE 读允许信号 CLK 时钟输入端REF REF 参考电压输入端VCC 电源电压GND 地线 39 2 ADC0809的内部结构 40 ADC0809的内部结构主要有3部分组成 模拟输入选择部分 包括一个8路模拟开关和地址锁存与译码电路 输入的三位通道地址信号由锁存器锁存 经译码电路译码后控制模拟开关选择相应的模拟输入 地址编码与输入通道的关系 转换器部分 包括比较器 8位D A转换器 逐位逼近寄存器以及控制逻辑电路等 输出部分 包括一个8位三态输出缓冲器 41 地址与输入通道 42 3 ADC0809的工作过程外部时钟信号通过CLK端进入其内部控制逻辑电路 作为转换时的时间基准 工作过程如下 首先CPU发出3位通道地址信号ADDC ADDB ADDA 在通道地址信号有效期间 使ALE引脚上产生脉冲上跳沿 将输入的3位通道地址锁存到内部地址锁存器 接着给START引脚加上一个脉冲下降沿 启动A D变换 变换开始后 EOC引脚呈现低电平 一旦变换结束 EOC又重新变为高电平 CPU在检测到EOC变高后 输出一个正脉冲到OE端 将转换结果取走 43 ADC0809工作时序 44 4 ADC0809与系统的连接方法 模拟信号输入 模拟信号分别连接到1N0 IN7端 当前要转换哪一路通过ADDC ADDA的不同编码来选择 0809内部有地址锁存器 CPU通过输出接口 74LS273 74LS373 8255 把通道地址编码送到通道地址信号端 D0 D7的连接 0809芯片的输出端带有三态缓冲器 可以直接连接到系统数据总线上 考虑到驱动及隔离的因素 通常总是用一个输入接口与系统连接 启动转换信号的连接 080