第十一章模拟量输入输出

1、第十一章模拟量输入/输出,在计算机应用系统中，常需要模拟量输出，去控制系统中的执行机构,构成控制系统。将计算机中的数字信号转换为模拟信号，称为D/A转换；许多工业生产过程中，参与测量和控制的物理量，往往是连续变化的模拟量通常计算机也需要对一些模拟信号（如电流、电流、温度、压力等）进行检测，将模拟信号转换为数字信号，称为A/D转换。,11.1模拟量的输入/输出通道,1.模拟量输入通道的组成,能够把生产过程的非电物理量转换成电量（电流或电压）的器件，被称为传感器。变送器电流模,1).传感器,2).信号处理环节,电压水平抗干扰调理电路,3).多路转换开关,多个模拟信号共用一个A/D转换器进行采样和转

2、换,CD4054CD4067等,4).采样保持器,在A/D进行转换期间，保持输入信号不变的电路称采样保持电路。,5).A/D转换器,核心环节,将模拟输入量转换成数字量，以便由微机读取，进行分析处理。,2.模拟量输出通道的组成,微机输出的信号是数字信号，而有的执行元件要求提供模拟的电流或电压，故必须将模拟信号转化为数字信号。这个任务主要是由数/模（D/A）转换器来完成。,11.2D/A转换器,1.D/A转换器的工作原理,位R-2RT型电阻网络D/A转换器,1).权电阻网络D/A转换器,需要精密电阻，不易集成，实际应用少。,2).T型电阻网络,从每个节点G向右看，对地的等效电阻均为R，则每个节点对

3、地电压均为Vi=1/2Vi+1,流入该支路的电流为Ii=,电压输出型的D/A转换器相当于一个电压源，内电阻较小，选用这种芯片时，与它匹配的负载电阻应较大，输出一般为05V和010V。电流输出的D/A转换器，相当于电流源，内阻较大，选用这种芯片时，负载电阻不可太大。在实际应用中，常选用电流输出型的芯片来实现电压输出。此时，在电压输出端应加上V/I转换电路。,2.D/A转换器的主要技术指标,分辨率描述D/A转换器对微小输入量变化的敏感程度，通常用数字量的位数来表示，如8位、10位等。对一个分辨率为n位的转换器，能够分辨满刻度的2-n输入信号。例如：满量程为10V的8位D/A转换器分辨率为10V2-

4、8=39mV。,1).分辨率,稳定时间指D/A转换器加上满刻度的变化（如全“0”变为全“1”）时，其输出达到稳定所需的时间。一般为几十微秒到几微秒。,2).稳定时间,不同型号的D/A转换器的输出电平相差较大。一般电压型的D/A转换器输出为0+5V或0+10V。电流型的D/A转换器，输出电流为几毫安至几安。,3).输出电平,对应于给定的满刻度数字量，D/A实际输出与理论值之间的误差，也称为绝对精度。该误差是由于D/A的增益误差、零点误差和噪声等引起的。例如：满量程时理论输出值为10V,实际输出值是在9.99V-10.01V之间，其转换精度为10mV。,。,4).转换精度,D/A转换器的转换精度为

5、分辨率之半，即为LSB/2。LSB是分辨率，是指最低一位数字量变化引起的变化量。,5).相对精度,6).线性误差,7).温度系数,3.典型的D/A转换器芯片,集成D/A芯片类型很多，按其转换方式有并行和串行两大类，串行慢，并行快。按生产工艺分有双极型、MOS型等，它们的精度和速度各不相同。按字长分有8位、10位、12位等，按输出形式分，有电压型和电流型两类。,1).DAC0832,（1）DAC0832的引脚,DI7DI0：D/A转换器的数字量输入信号。其中DI0为最低位，DI7为最高位。,：片选输入信号，低电平有效。,：D/A转换器的数据写入信号，低电平有效。,ILE：输入寄存器的允许信号，高

6、电平有效。,ILE信号和、共同控制选通输入寄存器。、均为低电平，且ILE为高电平时，=1，输入被转换的数据立即被送至8位输入寄存器输出端；,当上述三个控制信号任一个无效时，=“0”，输入寄存器将D端数据锁存，输出端呈保持状态；ILE=“0”时，也为“0”，输出端便不随D端而变化。,：DAC寄存器的选通信号，低电平有效。,当和同时有效时，=“1”，输入寄存器的数据被装入DAC寄存器，并同时启动一次D/A转换。,VCC：芯片电源，其值可在+5+15V，典型值为+15V。AGND：模拟信号地。DGND：数字信号地。,Rfb：内部反馈电阻引脚，用来外接D/A转换器输出增益调整电位器。,IOUT1：D/

7、A转换器输出电流1。,当输入数字为全“1”时，其值最大值约为：,当输入数字为全“0”时，其值最小，即为0。,IOUT2：D/A转换器输出电流2。,与IOUT1的关系：IOUT1+IOUT2=常数,电流稳定时间：1s。分辨率：8位线性误差：0.2%FSR，即该芯片的线性误差为满量程的0.2%。非线性误差：0.4%FSR。三种输入方式：双缓冲、单缓冲和直接输入三种方式。数字输入与TTL兼容。增益温度系数：0.002%FSR/。低功耗：20mW。单电源：+5+15V。参考电压：10V+10V。,（2）DAC0832的主要技术性能,（3）DAC0832的工作方式,DAC0832有三种工作方式：直通方式

8、、单缓冲方式和双缓冲方式。,直通方式,单缓冲单极性电压输出方式,单缓冲方式是指DAC0832内部的两个数据缓冲器有一个处于直通方式，另一个受CPU的控制。,单极性电压输出方式中，当VREF端接+5V（或-5V）时，输出电压范围是0-5V(或0+5V)。如果VREF端接+10V（或-10V）时，输出电压范围是0-10V（0+10V）。,双缓冲方式,双缓冲方式是指DAC0832内部的两个数据缓冲器均受CPU的控制。该方式的优点：DAC0832的数据接收和启动转换可异步进行；在D/A转换的同时，进行下一数据的接收，提高模拟输出通道的转换速率，可实现多个模拟输出通道同时进行D/A转换。,2).DAC1

9、210,DAC1210是NS公司生产的12位D/A转换器芯片，是智能化仪表中常用的一种高性能的D/A转换器。,4.D/A转换器与微处理器连接应用举例,D/A转换器与微处理器间的信号连接包括三部分，即数据线、控制线和地址线,1).8位D/A转换器与CPU的接口,例1DAC0832用作波形发生器。根据图接线，编写程序，使其产生锯齿波、三角波和方波。,1）锯齿波程序.MODELSMALL.STACK100.DATAAddDA0832DBFEH.CODESAWPRGPROCFARPUSHDSMOVAX,0PUSHAXMOVAX,DATAMOVDS,AX,SawWve:OUTAddDA0832,ALIN

10、CALJMPSawWveSAWPRGENDPEND,2）三角波程序.MODELSMALL.STACK100.DATAAddDA0832DBFEH.CODETRIPRGPROCFARPUSHDSMOVAX,0PUSHAXMOVAX,DATAMOVDS,AX,XORAL,ALTriDwn:OUTAddDA0832,ALINCALCMPAL,0HJNZTriDwnTriUp:OUTAddDA0832,ALCMPAL,0HJNZTriUpJMPTriDwnTRIPRGENDPEND,3）方波程序.MODELSMALL.STACK100.DATAAddDA0832DBFEH.CODESQUPRGPROC

11、FARPUSHDSMOVAX,0PUSHAXMOVAX,DATAMOVDS,AX,SquStrt:MOVAL,33HOUTAddDA0832,ALCALLDELAYMOVAL,0FFHOUTAddDA0832,ALCALLDELAYJMPSquStrtSQUPRGENDP,DELAYPROCMOVBX,40DLA:DECBXJNEDLADELAYENDPEND,2).12位D/A转换器与CPU的接口,当D/A转换器分辨率大于8位时，与8位数据接口需要采取适当措施。例如，对一个12位的D/A转换器，可以分成低8位和高4位。首先把低8位数送低8位锁存器，然后再把高4位送另一锁存器。,端。,MOVD

12、S,AXMOVDX,Add0DA1210MOVCL,04SHLBX,CLMOVAL,BHOUTDX,ALINCDXMOVAL,BLOUTDX,ALINCDXOUTDX,ALDAC1210PRGENDPEND,.MODELSMALL.STACK100.DATAAdd0DA1210DW250HAdd1DA1210DW251HAdd2DA1210DW252H.CODEDAC1210PRGPROCFARPUSHDSMOVAX,0PUSHAXMOVAX,DATA,11.3A/D转换器,A/D转换器是模拟信号源与计算机或其他数字系统之间联系的桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机或

13、数字系统进行处理、存储、控制和显示。在工业控制和数据采集及许多其他领域中，A/D转换器是不可缺少的重要组成部分。由于应用特点和要求的不同，需要采用不同工作原理的A/D转换器。A/D转换器主要有以下各种类型：逐位比较（逐次逼近）型、积分型以及计数型、并行比较型、电压-频率型（即V/F型）等。,1.信号变换中的采样、量化和编码,模拟信号的大小随着时间不断地变化。为了通过转换得到确定的值，对连续变化的模拟量按一定的规律和周期取出其中的某一瞬时值进行转换，这个值称为采样值。,1).采样,香农定理表明：采样频率一般高于或至少等于输入信号最高频率的2倍，实际应用中，采样频率可以达到信号最高频率的4倍8倍。

14、对于变化较快的输入模拟信号，A/D转换前可采用采样保持器）,使得在转换期间保持固定的模拟信号值。,量化是把采样值取整为最小单位的整数倍，这个最小单位称为量化单位。它等于输入信号的最大范围/数字量的最大范围，对应于数字量1。例如，把04V的模拟电压转换成3位二进制数表示的数字信号，那么量化单位=4V/23=0.5V。模拟电压在00.5V之间，取二进制数000；在0.5V1V之间取001；在1V1.5V之间取010；。,2).量化,量化得到的数值通常用二进制表示，对有正负极性（双极性）的模拟量一般采用偏移码表示，数值为负时符号位为0，为正时符号位为1。例如，8位二进制偏移码10000000代表数值

15、0，00000000代表负电压满量程，11111111代表正电压满量程。,3).编码,2.A/D转换器的工作原理,1).逐次逼近型的A/D转换器,控制逻辑电路先设定SAR寄存器的最高位为“1”，其余位为“0”，该值经D/A转换成电压Vc，然后将Vc与模拟输入电压Vx比较。如果VxVc，说明SAR最高位的“1”应予保留；如果VxVc，说明SAR该位应予清零。然后再对SAR寄存器的次高位置“1”，依上述方法进行D/A转换和比较。,逐次逼近式的A/D转换器的主要特点是：（1）转换速度快，在1100s以内，分辨率可以达18位，特别适用于工业控制系统。（2）转换时间固定，不随输入信号的变化而变化。（3）

16、抗干扰能力相对积分型的差。,2).-型A/D转换器,模拟信号的量化过程：输入信号X与反馈信号W反相求和，得到量化的误差信号B，经积分器积分，输出的信号C输入至量化器进行量化，得到由0和1组成的数字序列D，数字序列D又经过一位的DAC转换器反馈至求和节点，形成闭合的反馈环路。反馈环路将强迫输出数字系列D对应的模拟平均值等于输入信号的采样X的平均值。量化过程可能带来量化噪声，量化噪声的引入制约了转换精度。-型A/D转换器对量化噪声的处理是由数字低通滤波器完成的，其作用是实现低通滤波和减取样的功能。-型A/D转换器属于过采样转换器，是目前精度最高的一种转换器，具有高分辨率、高性价比和低功耗等优点。,

17、3).双积分型A/D转换器,双积分型A/D转换器由积分器、检零比较器、计数器、控制逻辑和时钟信号等组成。双积分型的A/D转换器有两个输入电压：一个是被测模拟量输入电压，一个是标准电压。,A/D转换器首先对未知的输入电压Vi进行固定时间Ti的积分，然后转换为标准电压进行反向积分，直至积分输出返回到初始值。对标准电压进行积分的时间Ti正比于输入模拟电压，输入电压越大，则反向积分时间越长。,用高频率标准时钟脉冲来测量这个时间，反向积分过程中对脉冲的计数值就是对应于输入模拟电压的数字量。,双积分型的A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，精度高，这是突出的优点。但转换速度比较慢，常用的A/D转换芯片的转换

18、时间为毫秒级。因此适用于模拟信号变化缓慢，采样速率要求较低，而对精度较高，或现场干扰较严重的场合。如数字电压表。,4).V/F转换器,V/F转换器用作模/数转换具有良好的精度、线性和积分输入特性，能提供其他类型转换器无法达到的性能。,传感器一般输出模拟量小信号电流或电压，经过信号调节器调节成满足V/F转换器输入要求的电压信号。V/F转换器把这些模拟电压转换成相应的TTL频率信号，经光电耦合后送入计算机，也可以送入I/O口、计数器输入端或中断源输入端上。,采用V/F转换器与计算机接口有接口简单，占用计算机接口少、频率信号输入灵活、抗干扰性能好、便于远距离传输等优点。因此在一些非快速过程的前向通道

19、中，愈来愈趋向使用V/F转换来代替通常的A/D转换。,3.A/D转换器的主要技术指标,分辨率反映A/D转换器对输入微小变化响应的能力，通常用数字输出最低位（LSB）所对应的模拟输入的电平值表示。例如，8位A/D转换器能对模拟输入信号满量程的1/28=1/256的增量作出反应。n位A/D能反应1/2n满量程的模拟输入信号电平。分辨率与转换器的位数有关，因此，可用数字量的位数来表示分辨率，即n位二进制数，最低位所具有的权值，就是它的分辨率。,1).分辨率,2).精度,精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。,绝对精度是指对应于一个给定的数字量的实际模拟量输入与理论模拟量输入之差。通常以数字量的最小有

20、效位（LSB）的分数值表示绝对精度，如：1LSB、LSB/2、LSB/4等。,（1）绝对精度,相对精度即绝对误差与满量程之比，一般用百分比来表示。例如，满量程为5V，8位A/D芯片，若其绝对精度为LSB/2，则其最小有效位的量化单位=19.53mV，其绝对精度为/2=9.77mV，其相对精度为9.77mV/5V=0.195%。,（2）相对精度,转换时间是指完成一次A/D转换所需的时间，即由发出启动转换命令信号到转换结束信号开始有效的时间间隔。转换时间的倒数称为转换速率。例如AD0809的转换时间为100s，其转换速率为10kHz。,3).转换时间,电源灵敏度是指A/D转换芯片的供电电源的电压发

21、生变化时，产生的转换误差。一般用电源电压变化1%时相当的模拟量变化的百分数来表示。,4).电源灵敏度,量程是指所能转换的模拟输入电压范围，分单极性、双极性两种类型。,5).量程,例如，单极性：量程为0+5V，0+10V，0+20V；双极性：量程为5+5V，10+10V。,多数A/D转换器的输出逻辑电平与TTL电平兼容。在考虑数字量输出与微处理器的数据总线接口时，应注意是否要三态逻辑输出、是否要对数据进行锁存等。,6).输出逻辑电平,由于温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等产生影响，故只在一定的温度范围内才能保证额定精度指标。一般A/D转换器的工作温度范围为（070），军用品的工作温度范围为（

22、55+125）。,7).工作温度范围,4.典型的A/D转换器芯片,1).ADC0809,ADC0809是逐次逼近型8位单片A/D转换芯片。片内有8路模拟开关，可输入八个模拟量。单极性，量程为05V。典型的转换速度为100s。片内带有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线接口。其性能价格比有明显的优势，是目前比较广泛采用的芯片之一。可应用于对精度和采样速度要求不高的场合或一般的工业控制领域。,（1）ADC0809的逻辑结构及引脚,由8路单端输入的多路开关和地址锁存与译码逻辑组成。,模拟输入部分,ADDA为最低位，ADDC为最高位，通常分别接在地址线的低3位。,该信号的上升沿将ADDA、ADDB和AD

23、DC选择线的状态锁存入多路开关地址寄存器中。,IN0IN7：8个通道模拟量输入引脚。,ADDA、ADDB和ADDC：多路开关地址选择线，输入。,ALE：地址所存信号，输入，高电平有效。,EOC：转换完成信号，输出，高电平有效。,变换器部分,主要由控制逻辑、逐次逼近寄存器SAR（8位）、比较器及电阻网络四部分组成。控制逻辑提供转换器的时钟CLK和启动信号START。转换完成时，发出转换结束信号EOC信号。,CLK：转换时钟，输入。,其频率不能高于10640kHz。若CLK=500kHz时，转换速度为128ms。,START：启动转换信号，输入，高电平有效。,该信号上升沿清除ADC的内部寄存器而在

24、下降沿启动内部控制逻辑，开始A/D转换工作。,当EOC为”1”时，表示转换已完成。,输入端REF(+)和REF()决定了输入模拟电压的最大值和最小值。通常把REF(+)接到VCC(+5V)电源上，REF()接到地端GND。,作用是使ADC0809能直接与CPU接口。,三态输出缓冲器部分,D0D7：8位数字量的输出。,当OE为”1”时，输出锁存器脱离三态，数据输出。,OE：允许输出信号，高电平有效。,基准电压部分,（2）ADC0809的时序,AD574A是常用12位逐次逼近式的ADC芯片。转换时间为2535s。其运行方式灵活，可进行12位转换，也可作8位转换；转换结果可直接12位输出，也可先输出

25、高8位，后输出低4位。可直接与8位、12位和16位的CPU接口。输入可设置成单极性，也可设置成双极性。片内有时钟电路，无需加外部时钟。AD574A适用于对精度和速度要求较高的数据采集系统和实时控制系统。,2.AD574A,（1）AD574A的引脚功能,DB11DB0：输出数据线。,DB11为MSB位（最大有效位），DB0为LSB位（最小有效位）。转换后的数字量经过片内输出三态缓冲器后，由这些数据线DB11DB0输出。,：片选信号，低电平有效。,CE：片使能信号，高电平有效。,该引脚为低电平时，表示启动转换；高电平时，表示可输出数据。,R/：读/启动转换信号。,A0和12/：配合用于控制转换数据

26、长度是12位或8位，以及数据输出的格式（是12位一次输出还是先输出高8位，后输出低4位）。,A0=0，表示启动一次12位转换；A0=1，表示启动一次8位转换。12/=1表示12位数据并行输出。,STS：此引脚的模拟量输入范围是0+10V；如果接成双极性工作方式，输入范围可以是5V+5V。,20VIN：此引脚的模拟量输入范围是0+20V；若为双极性，输入范围可为10V+10V。,BIPOFFSET：此引脚的连接方式，与模拟量是单极性还是双极性有关。,REFOUT：参考电压输出端。,REFIN：参考电压输入端。,（2）AD574A的控制逻辑和时序,当CE=1且=0时，AD574A才能进行一次有效的

27、操作；当CE、同时有效，而R/为低电平时是启动转换，R/为高电平是读出数据。由A0来选择12位数据转换还是8位转换。若12/端接+5V，则并行输出12位数字；若12/端接数字地，则由A0控制是读出高8位还是低4位。,（3）单极性与双极性的输入方式,5.A/D转换器与微处理器连接应用举例,A/D转换芯片与CPU接口时，除了要有数据信息的传送外，还应有控制信息和状态信息。一般模拟输入量来自采样保持器，而转换后的数据经数据缓冲器由数据输入端口输入至A/D转换器的启动端，使A/D转换器开始转换。A/D转换需要一定的转换时间，是否转换完成，由A/D转换器的状态信号决定。此状态信息可由CPU通过状态端口读

28、入测试。当CPU通过查询状态信号引脚，判断A/D芯片已转换完成时，则CPU输出允许输入信号，然后通过数据端口将A/D转换结果读入。,1).8位A/D转换芯片与CPU接口举例,设定8255A的PA口为输入，PB口为输出，均为方式0，PC4为输入；8255A四个端口地址为FFFCH,FFFDH,FFFEH,FFFFH。,.MODELSMALL.STACK100.DATAAdd8255PADWFFFCHAdd8255PBDWFFFDHAdd8255PCDWFFFEHAdd8255CTDWFFFFH.CODE,查询方式程序：,ADC0809PRGPROCFARPUSHDSMOVAX,0PUSHAXMO

29、VAX,DATAMOVDS,AXMOVAL,0B8H;8255A工作方式设定MOVDX,Add8255CT;8255A控制端口地址OUTDX,AL;送8255A方式字MOVAL,0BH;选IN3端和ALE信号MOVDX,Add8255PB;8255A的PB口地址OUTDX,AL;送IN3通道地址,MOVAL,1BH;STARTPB4=1OUTDX,AL;启动A/D转换MOVAL,0BHOUTDX,AL;STARTPB4=0MOVDX,Add8255PC;8255A的PC口地址TEST:INAL,DX;读C口状态ANDAL,10H;检测EOC状态JZTEST;如未转换完，再测试转换完则继续MOV

30、DX,Add8255PA;8255A的PA口地址INAL,DX;读转换结果ADC0809PRGENDPEND,若采用中断方式读取A/D转换后的结果，其他条件不变。8259A两个端口地址为FFFEH,FFFFH，,.MODELSMALL.STACK100.DATAAdd8255PADWFFFCHAdd8255PBDWFFFDHAdd8255PCDWFFFEHAdd8255CTDWFFFFHAdd8259EADWFFFEHAdd8259OADWFFFFH.CODEADC0809PRGPROCFARPUSHDS,MOVAX,0PUSHAXMOVAX,DATAMOVDS,AXMOVAL,0B0H;82

31、55A工作方式设定MOVDX,Add8255CT;8255A控制字端口地址OUTDX,AL;送8255A方式字MOVAL,0BH;选IN3输入端和地址锁存信号MOVDX,Add8255PB;8255A的PB口地址OUTDX,AL;送IN3通道地址MOVDX,Add8259EAMOVAL,13H,OUTDX,ALMOVDX,Add8259OAMOVAL,40HOUTDX,ALMOVAL,03HOUTDX,ALMOVAL,0FBHOUTDX,ALMOVAL,1BH;STARTPB4=1OUTDX,AL;启动A/D转换MOVAL,0BOUTDX,AL;STARTPB4=0,WAIT:STIJMPWAIT;等中断或者继续执行其他程序ADC0809PRGENDPEND,当AD转换结束时，EOC变高电平满足中断条件，向CPU发中断申请，如果CPU允许中断则进入中断服务程序