第5章 模拟量输入输出通道

1、第第5 5章章 智能仪器模拟量输入智能仪器模拟量输入/输出通道输出通道 5.1 模拟量输入通道模拟量输入通道 5.1.1 AD转换器概述转换器概述 5.1.2 逐次比较式逐次比较式AD转换器与微处理器接口转换器与微处理器接口 5.1.3 积分式积分式AD转换器与微处理器接口转换器与微处理器接口5.2 高速模拟量输入通道高速模拟量输入通道5.3 模拟量输出通道模拟量输出通道5.1 模拟量输入通道模拟量输入通道 5.1.1 AD转换器概述转换器概述 AD转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在个模拟量泛指电压、电阻、

2、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。一般情况下，模拟量是指电压而言的。一、一、AD转换器的定义转换器的定义 分辨率与量化误差分辨率与量化误差 转换精度转换精度 转换速率转换速率 满刻度范围满刻度范围 二、二、AD转换器的技术指标转换器的技术指标 二、二、A AD D转换器的技术指标转换器的技术指标 分辨率与量化误差分辨率与量化误差 分辨率是衡量分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化量的技术转换器分辨输入模拟量最小变化量的技术指标，是数字量变化一个字所对应模拟信号的变化量。指标，是数字量变化一个字所对应模拟信号的变化量。 量化误差是由量化误差是由A/D 转换器有限字长

3、数字量对输入模拟量进转换器有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样（量化）引起的误差，其大小在理论上为一个单位行离散取样（量化）引起的误差，其大小在理论上为一个单位（1LSB ）。）。2、转换精度、转换精度 转换精度反映了一个实际转换精度反映了一个实际A/D转换器与一个理想转换器与一个理想A/D转换器转换器在量化值上的差值，用绝对误差或相对误差来表示。在量化值上的差值，用绝对误差或相对误差来表示。 转换精度指标通常由以下分项误差有组成：转换精度指标通常由以下分项误差有组成： 偏移误差偏移误差 满刻度误差满刻度误差 非线性误差非线性误差 微分非线性误差微分非线性误差转换精度转换精度3、转换速率、转

4、换速率 转换速率是指转换速率是指AD转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。 转换速率也可表述为转换时间，即转换速率也可表述为转换时间，即AD转换从启动到结束转换从启动到结束所需的时间，转换速率与转换时间互为倒数。所需的时间，转换速率与转换时间互为倒数。4、满刻度范围、满刻度范围 满刻度范围是指满刻度范围是指A/D转换器所允许最大的输入电压范围。转换器所允许最大的输入电压范围。如（如（05）V，（，（010）V，（，（55）V等等 满刻度值只是个名义值，实际的满刻度值只是个名义值，实际的AD转换器的最大输入转换器的最大输入电压值总比满刻度值小电压值总比满刻度值小

5、12n（n为转换器的位数）。这是因为转换器的位数）。这是因为为0值也是值也是2n个转换器状态中的一个。个转换器状态中的一个。三、三、A AD D转换器的分类转换器的分类 逐次比较式逐次比较式AD转换器：转换器：s级级 积分式积分式AD转换器：转换器：ms级或更长级或更长 并行比较式又称闪烁式：达并行比较式又称闪烁式：达ns级级 改进型改进型5.1.2 逐次比较式逐次比较式A/D转换器与微处理器接口转换器与微处理器接口 一、一、 逐次比较式逐次比较式A AD D转换器原理转换器原理 它由它由N位寄存器、位寄存器、N位位DA转换器、比较器、逻辑控制电路、转换器、比较器、逻辑控制电路、输出缓冲器输出

6、缓冲器 五部分组成，五部分组成， 二、二、 ADC0809ADC0809芯片及其接口芯片及其接口 常用的控制方式主要有：常用的控制方式主要有： 1 程序查询方式：程序查询方式： 2 延时等待方式：延时等待方式： 3 中断方式：中断方式：a 查询方式查询方式 MOV DPTR， #0FEF8H ;指出指出IN0通道地址通道地址 MOV A， #00H MOVX DPTR，A ; 启动启动IN0通道转换通道转换 MOV R2， #20HDLY： DJNZ R2， DLY ；延时，等待；延时，等待EOC变低变低WAIT：JB P3.3，WAIT ；查询，等待；查询，等待EOC变高变高 MOVX A，

7、DPTR MOV 30H， A ；结果存；结果存30H b 延时等待方式延时等待方式 MOV DPTR， #0FEF8H MOV A， #00H MOVX DPTR， A ；启动；启动IN0通道通道 MOV R2， #48HWAIT：DJNZ R2， WAIT ；延时约；延时约140s MOVX A， DPTR MOV 30H， A ；转换结果存；转换结果存30H c 中断方式中断方式 （主程序）（主程序）MAIN：SETB IT1 ；选边沿触发；选边沿触发 SETB EX1 ；允许中断；允许中断 SETB EA ；打开中断；打开中断 MOV DPTR，#0FEF8H MOV A， #00H

8、；启动；启动AD转换转换 MOVX DPTR，A ；执行其他任务；执行其他任务 中断服务程序：中断服务程序：NTR1：PUSH DPL ；保护现场；保护现场 PUSH DPH PUSH A MOV DPTR，#0FEF8H MOVX A， DPTR ；读结果；读结果 MOV 30H， A ；结果存；结果存30H MOV A， #00H MOVX DPTR, A ；启动下次转；启动下次转 POP A ；恢复现场；恢复现场 POP DPH POP DPL RETI ；返回；返回 5.1.3 5.1.3 积分式积分式A AD D转换器与微处理器接口转换器与微处理器接口 积分式积分式A/D转换器是一种

9、间接式转换器是一种间接式A/D转换器，其工作原理是：转换器，其工作原理是：先用积分器把输入模拟电压转换成中间量（时间先用积分器把输入模拟电压转换成中间量（时间T 或频率或频率f），），然后再把中间量转换成数字。然后再把中间量转换成数字。 双积分式双积分式AD转换器又称双斜式转换器又称双斜式A/D转换器，其转换过程转换器，其转换过程在逻辑控制电路的控制下按以下三个阶段进行。在逻辑控制电路的控制下按以下三个阶段进行。 1预备阶段预备阶段 2定时积分阶段定时积分阶段T1 3定值积分阶段定值积分阶段T2 一、一、 双积分式双积分式AD转换器原理概述转换器原理概述 数学推导数学推导 ittiURCTdt

10、URCU101211dtURCUttr)(103201riURCTURCT21t1t2t3U01 （2.1） （2.2） irUUTT12 （2.3） 将将2.1式代入式代入2.2式得式得设时钟周期为设时钟周期为T0，计数器容量为，计数器容量为N1，则，则T1=N1To、T2=N2To，2.3式可改写为式可改写为2.3式所明：式所明：T2与输入电压的平均值与输入电压的平均值 成正比成正比iUirUUNN12 （2.4）2.4式所明：式所明：N2与输入电压的平均值与输入电压的平均值 成正比（成正比（ N2 ）iUiUN2T0N2 N2 UiUi关系的演示关系的演示积分器输出电压还是负向积分器输出

11、电压还是负向积分，积分时间积分，积分时间不变，不变，但是，斜率将增加一倍。但是，斜率将增加一倍。（假定输入电压增加为（假定输入电压增加为2Ui）在在期间，积分器反向期间，积分器反向积分的斜率不变（因积分的斜率不变（因不不变），但是，返回到零点的变），但是，返回到零点的时间时间将增加一倍。将增加一倍。由于由于增加一倍，因而增加一倍，因而在期间的计数值在期间的计数值也也将增加一倍。将增加一倍。 5.2 高速模拟量输入通道高速模拟量输入通道 高速模拟量输入通道大都采用并行比较式高速模拟量输入通道大都采用并行比较式AD转换器，并转换器，并行比较式即闪烁式行比较式即闪烁式AD转换器是现行电子式转换器是现

12、行电子式AD转换器中转转换器中转换速度最快的一种。换速度最快的一种。 并行比较式并行比较式AD转换器的转换时间只有几十纳秒，可应用转换器的转换时间只有几十纳秒，可应用于高速采集的场合。于高速采集的场合。 但需要大量的低漂移的比较器和高精度电阻，且位数每高但需要大量的低漂移的比较器和高精度电阻，且位数每高一位，一位， 其需要量加大一倍。并行比较式其需要量加大一倍。并行比较式AD转换器的位数一转换器的位数一般不高于般不高于8位，并且只有在高速采集时才被采用。位，并且只有在高速采集时才被采用。5.2.1 并行比较式并行比较式 AD 转换器原理概述转换器原理概述 本节以本节以CA3308集成芯片为例，

13、介绍高速集成芯片为例，介绍高速A/D转换的特点及转换的特点及其接口技术。其接口技术。CA3308是美国是美国RCA公司的公司的8位位CMOS并行并行A/D转转换器，最高转换速率可达换器，最高转换速率可达15MHz， 5.2.2 高速高速AD转换器及其接口技术转换器及其接口技术VIN： 输入信号端。输入信号端。 VDD，VSS： 数字电源与数字地。数字电源与数字地。 VAA， AG：模拟电源与模拟地。：模拟电源与模拟地。 B1B8： 数字量输出端。数字量输出端。 OVF： 溢出标志位溢出标志位 CE 1，CE2：输出数字量的三态：输出数字量的三态 控制信号输入端控制信号输入端 ， 其真值表如表其

14、真值表如表2.2CLK： 外部时钟输入端。外部时钟输入端。 PHASE： 工作方式控制端。工作方式控制端。 UR(+) ，UR(-)，14REF， 12REF，34REF： 参考电参考电 压输入端或校准端压输入端或校准端CA3308各脚定义如下： 5.2.3 高速数据采集与数据传输高速数据采集与数据传输 一、一、 程序控制的数据传输方式程序控制的数据传输方式 查询方式、延时等待方式、中断方式等均属该方式。查询方式、延时等待方式、中断方式等均属该方式。 每传输一个数据，每传输一个数据，CPU都要执行若干条指令，不适于高速都要执行若干条指令，不适于高速数据采集及成批交换数据的场合。数据采集及成批交

15、换数据的场合。二、二、 DMA控制的数据传输方式控制的数据传输方式 即在即在DMA控制器控制下的直接存储器存取方式。控制器控制下的直接存储器存取方式。 在这种方式下，数据传输过程不再由在这种方式下，数据传输过程不再由CPU控制，而是在控制，而是在DMA控制器的控制和管理下进行直接传输，从而提高了传输速控制器的控制和管理下进行直接传输，从而提高了传输速度。度。DMA传输传输示意图示意图 在在DMA传输过程中，传输数据的途径是传输过程中，传输数据的途径是I/O设备接口、总线设备接口、总线和存储器接口，并不经过和存储器接口，并不经过DMA控制器，因而速度很快。控制器，因而速度很快。DMA方方式传输一

16、个字节一般只需要两个时钟周期的时间。式传输一个字节一般只需要两个时钟周期的时间。三、三、 基于高速数据缓存技术的数据传输方式基于高速数据缓存技术的数据传输方式 1、基于双口、基于双口RAM的高速数据缓存方式的高速数据缓存方式2、基于、基于FIFO的高速数据缓存方式的高速数据缓存方式 在高速数据采集系统中，微处理器的数据传输速率及数据在高速数据采集系统中，微处理器的数据传输速率及数据处理速度与前端处理速度与前端A/D转换器的采集速度往往不一致的；另外，多转换器的采集速度往往不一致的；另外，多微处理器系统应用场合，各微处理器系统的工作也不可能完全微处理器系统应用场合，各微处理器系统的工作也不可能完

17、全同步。同步。1、基于双口、基于双口RAM的高速数据缓存方式的高速数据缓存方式 双口双口RAM即双端口存储器，它具有两套完全独立的数据线、即双端口存储器，它具有两套完全独立的数据线、地址线、读地址线、读/写控制线，允许两个独立的系统或模块同时对双口写控制线，允许两个独立的系统或模块同时对双口RAM进行读进行读/写操作。写操作。 以以IDT7024为例介绍双口为例介绍双口RAM的组成原理及典型应用。的组成原理及典型应用。 IDT7024为为4K16位静态双口位静态双口RAM，其最快存取时间有，其最快存取时间有20/25/35/55/75 ns多个等级，可与大多数高速处理器配合使用，多个等级，可与

18、大多数高速处理器配合使用，无需插入等待状态。无需插入等待状态。 双口双口RAM IDT7024的组成框图的组成框图2、基于、基于FIFO的高速数据缓存方式的高速数据缓存方式 FIFO（First In First Out）意思就是先进先出。）意思就是先进先出。 FIFO存储存储器的特点是：同一存储器配备有两个数据端口，一个是输入端器的特点是：同一存储器配备有两个数据端口，一个是输入端口，只负责数据的写入；另一个是输出端口，只负责数据的输口，只负责数据的写入；另一个是输出端口，只负责数据的输出。出。 FIFO内部的存储单元是一个双口内部的存储单元是一个双口RAM，内部有两个读，内部有两个读/写地

19、写地址指针和一个标志逻辑控制单元。读址指针和一个标志逻辑控制单元。读/写地址指针在读写地址指针在读/写时钟控写时钟控制下顺序地从存储单元按照一种环形结构依次读制下顺序地从存储单元按照一种环形结构依次读/写数据，从第写数据，从第一个存储单元开始到最后一个存储单元，然后又回到第一个存一个存储单元开始到最后一个存储单元，然后又回到第一个存储单元。标志逻辑控制单元能根据读、写指针的状态，给出储单元。标志逻辑控制单元能根据读、写指针的状态，给出RAM的空、满等内部状态的指示。的空、满等内部状态的指示。5.3 模拟量输出通道模拟量输出通道 5.3.1 DA转换器概述转换器概述 5.3.2 DA转换器与微型

20、计算机接口转换器与微型计算机接口 5.3.3 DA转换器应用举例转换器应用举例5.3.1 DA 转换器概述转换器概述一、一、 DA转换原理转换原理 D/A转换器是由电阻网络、开关及基准电源等部分组成，为了转换器是由电阻网络、开关及基准电源等部分组成，为了便于接口，有些便于接口，有些D/A芯片内还含有锁存器。芯片内还含有锁存器。 二、二、 DA转换器的主要技术指数转换器的主要技术指数 1分辨率分辨率:当输入数字中量发生单位数码变化时所对应模拟量当输入数字中量发生单位数码变化时所对应模拟量输出的变化量。输出的变化量。2转换精度：指在整个工作区间实际的输出电压与理想输出转换精度：指在整个工作区间实际

21、的输出电压与理想输出电压之间的偏差。电压之间的偏差。3转换时间：指当输入的二进制代码，从最小值突跳到最大转换时间：指当输入的二进制代码，从最小值突跳到最大值时，其模拟量电压达到与其稳定值之差小于值时，其模拟量电压达到与其稳定值之差小于1 / 2LSB所需所需的时间。的时间。4尖峰误差：尖峰误差是指输入代码发生变化时而使输出模尖峰误差：尖峰误差是指输入代码发生变化时而使输出模拟量产生的尖峰所造成的误差。拟量产生的尖峰所造成的误差。三、三、 DA转换电路输入与输出形式转换电路输入与输出形式 DA转换器的数字量输入端：不含数据锁存器；含单个数转换器的数字量输入端：不含数据锁存器；含单个数据锁存器；含

22、双数据锁存器。据锁存器；含双数据锁存器。 第一种与微型计算机接口时一定要外加数据锁存器，以便第一种与微型计算机接口时一定要外加数据锁存器，以便维持维持DA转换输出稳定。转换输出稳定。 后两种与微型计算机接口时可以不外加数据锁存器。后两种与微型计算机接口时可以不外加数据锁存器。 第三种可用于多个第三种可用于多个 DA转换器同时转换的场合。转换器同时转换的场合。DA转转换器的输出电路有单极性和双极性之分。换器的输出电路有单极性和双极性之分。 DAC0832的结构 DA转换器的输出电路有单极性和双极性之分。转换器的输出电路有单极性和双极性之分。 单极性输出电路单极性输出电路双极性输出电路双极性输出电

23、路 5.3.2 DA 转换器与微型计算机接口转换器与微型计算机接口 一、一、 八位八位DA转换器转换器DAC0832及其与微型计算机接口及其与微型计算机接口 MOV DPTR，#0FEFFH ；给出；给出0832的地址的地址 MOV A， #DATA ；欲输出的数据装入；欲输出的数据装入A MOVX DPTR， A ；数据装入；数据装入0832并启动并启动D/A转换转换 口地址为口地址为FEFFH。8031对它进行一次写对它进行一次写操作，输入数据便在操作，输入数据便在控制信号的作用下，控制信号的作用下，直接打入内部直接打入内部DAC寄寄存器中锁存，并由存器中锁存，并由D/A转换成输出电压。转

24、换成输出电压。单缓冲方式：单缓冲方式： 二、二、 十二位十二位DA转换器转换器DAC1208与微型计算机接口与微型计算机接口 MOV DPTR，#0FDFFH MOV A，DATA MOVX DPTR，A DEC DPH MOV A，DATA1 MOVX DPTR，A MOV DPTR，#7FFFH MOVX DPTR，A 设有一个设有一个12位的待转换的数据存放在内容位的待转换的数据存放在内容DATA及及DATA1单元中，其存放顺序为：单元中，其存放顺序为：(DATA)存高存高8位数据，位数据，(DATA1)存低存低4位数据位数据(存放在该单元的低半字节上存放在该单元的低半字节上)。 5.3.3 DA转换器应