第八章 模拟量的输入输出接口技术.ppt

1、C H A P T E R,模拟量的输入输出 接口技术,8,本 章 内 容,第一节概述 第二节D/A转换器 D/A转换器的工作原理 典型的D/A转换芯片 DAC芯片的应用 第三节A/D转换器 A/D转换器的工作原理 典型A/D转换芯片 ADC芯片的应用,第一节概 述,在一个微型计算机检测与控制系统中，往往由模拟输入通道和模拟输出通道构成。 模拟输入通道的作用就是将生产过程中所需检测的连续变化的物理量转化成计算机所能接收和识别的数字信号 ； 模拟输出通道的作用是为了实现对生产过程的控制，将计算机对输入信号进行加工、处理后的数据输出至调节执行机构。,第一节概 述,测控对象 被测对象 被控对象 模拟

2、输入通道 传感器 信号处理 多路开关 采样保持 A/D转换器,计算机 模拟输出通道 D/A转换器 功率放大器 执行机构,图8-1所示的系统中，主要由以下几部分构成：,第二节D/A转换器,D/A装换器的工作原理 D/A转换器处于模拟输出通道中，它的主要作用是将计算机输出的二进制数字量转换成模拟量。在一个D/A转换器中所用转换电路主要由运算放大器和电阻网络构成。 1.运算放大器 放大器的主要作用是将权电阻电路上形成的模拟信号稳定、放大后输出。,第二节D/A转换器,2.权电阻的D/A转换电路 权电阻电路是D/A转换的核心，它实际就是一种解码器。它的输入为数 字量D和模拟基准电压VREF，它的输出就是

3、模拟量VO。主要作用就是将 各位二进制数按权展开相加。图8-3为简单的权电阻D/A转换电路示意图。 3.T形电阻网络D/A转换电路 由图8-3可看出，当数字量的位数增多时，每个电阻阻值依次增大到前一 个电阻的2倍，这在集成电路生产中实现的难度较大，因此现在使用较 多的是T型权电阻网络，图8-4所示为一个简化了的R-2R型T型电阻网络 转换原理图。,第二节D/A转换器,D/A转换器的主要参数 分辨率 线性误差 转换精度 建立时间 温度系数 电源抑制比 工作温度范围 增益误差,典型的D/A转换芯片,DAC0832是CMOS工艺制造的8位电流输出型双缓冲D/A转换器，片内带有数据锁存器，可与通常的微

4、处理器直接相连。 1. DAC0832引脚和内部结构 图8-7为DAC0832的内部结构示意图； 图8-8给出了DAC0832的引脚图。,典型的D/A转换芯片,2.DAC0832的主要技术指标 电流稳定时间：1s。 分辨率，8位。 线性误差：0.2%FSR(Full Scale Range) 数字输入与TTL兼容。 增益温度系数：0.002%FSR/。 低功耗：20mW。 单电源：+5V+15V。 参考电压：-10V+10V。,典型的D/A转换芯片,3.DAC0832的工作方式 根据对DAC0832的输入锁存器和DAC寄存器的不同控制方法，DAC0832有如下三种工作方式： （1) 直通方式

5、在直通方式下，数据不锁存，此时，被转换数据一旦到达输入端口D7D0，即可进入转换器且输出。 （2）单缓冲方式 单缓冲方式是将两个寄存器之一始终置于直通方式，另一个寄存器处于锁存方式。 （3) 双缓冲方式 两个寄存器都处于锁存状态，在这种工作方式下，能够对一个数据进行D/A转换的同时，输入另一个数据，提高了D/A转换速率；,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。 1)主机位数等于或大于DAC芯片位数，如图8-12所示。在执行程序时，可直接执行下列语句即可完成被转换数据输出。 MOVAL，BUF MOVDX，PORTD OUTDX，AL 2)主机

6、位数小于DAC芯片位数，如图8-13所示。这种情况下，采用两级锁存电路的系统连接，如图8-14所示。 MOVDX，PORT1 MOVAL，BL OUTDX，AL MOVDX，PORT2 MOVAL，BH OUTDX，AL,DAC芯片的应用,【例8-1】在实际应用中，有利用线 性增长的电压去控制某一检测过程 或扫描电压控制一个电子束的稳定 等要求，这时即可利用D/A转换器 输出1个锯齿电压，如图8-16所示。 在这种应用中，硬件连接如图8-17 所示。软件编程如下： MOV DX，PORTD MOV AL，0FFH Repeat：INC AL OUT DX，AL JMP Repeat,若改变锯齿

7、波周期，可用NOP或 延时指令控制，如下： MOV DX，PORTD MOV AL，0FFH Repeat：INC AL OUT DX，AL CALLDELAY1 JMP Repeat DELAY1：MOV CX，DATA1 DELAY2：LOOP DELAY1 RET,DAC芯片的应用,【例8-2】图8-18是CPU通过Intel 8255A与DAC 0832转换器的接口电路。图中 Intel 8255A的PA7PA0与DAC 0832的数据输入线DI7DI0相连，转换后的输 出电压经运算放大器接至示波器的Y轴。通过程序给出不同的数据，就可在示波 器上观察到相应的波形。 （一）产生三角波形

8、将线性增长段和线性下降段结合起来，便可产生三角波形。程序如下： MOVAL，25H；设定8255A的A口为输出方式 MOVDX，0DH OUTDX，AL MOVDX，0AH MOVAL，00H；送下限值 SJ0:OUTDX，AL；将数据输出到A口 INCAL；AL加1 JNZSJ0；上限为FFH，没到上限，继续循环 SJ1:DECAL；到上限，AL减1 OUTDX ，AL JNZSJ1；若没到下限，转SJ1继续减1输出 JMPSJ0 ；到下限，转SJ0重新从下限开始 执行上面的程序所产生的三角波如图8-19所示。,DAC芯片的应用,（二）产生梯形波形 产生梯形波形的方法与产生三角波形类似，只要

9、把线性上升段和线性下 降段结合起来，并在它们之间插入相应的延时程序，即可产生梯形波 形。产生梯形波的程序流程图如图8-20所示。程序如下： MOVAL，25H；设定8255A的A口为输出方式 MOVDX，0DH OUTDX，AL MOVDX，0AH MOVAL，00H；从0开始 OUTDX，AL；将数据输出到A口,DAC芯片的应用,TX0： INCAL；AL加1 OUTDX，AL CMPAL，0FFH；检查到上限否 JNZTX0；上限为FFH，没到上限，继续循坏 MOVCX，0FFH；上限到，延时 TX1：NOP LOOPTX1 TX2：DECAL； AL减1 OUTDX ，AL CMPAL，

10、00H；检查到下限否 JNZTX2；上限为00H，没到下限，继续循环 MOVCX，0FFH；下限到，延时 TX3：NOP LOOPTX3 JMPTX0；转TX0开始下一个周期 梯形波的波形图如图8-21所示。,第三节 A/D转换器,一 A/D转换器工作原理 A/D转换器处于模拟输入通道中，是模拟信号源与计算机或其它数字系统之间传递信息的桥梁，它主要是将连续变化的模拟量信号转换为n位二进制数字量信号，便于计算机或数字系统对其进行处理、存贮或显示。 A/D转换通常分四步进行：采样保持量化编码 1. 采样和保持 所谓采样，是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟 量。通常采用等时间间隔进

11、行采样。采样过程如图8-22所示。当模拟信 号频率变化较快时，可采用保持电路，原理如图8-24所示。 2. 量化和编码 所谓量化，就是用基本的量化电平q的个数来表示采样保持电路得到的 模拟电压值。,第三节 A/D转换器,二 A/D转换方法 实现A/D转换的方法很多，可以用硬件方法实现，也可以用软件方法实现。常用的有逐次逼近法、双积分法及电压频率转换法等。 1. 逐次逼近法A/D转换器 主要由三大部分组成：逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器及相应 的时序和控制逻辑部分。图8-26所示是逐次逼近法A/D转换器的电路原理图。 2. 双积分法A/D转换器 双积分法A/D转换器由电子开关、积分器

12、、比较器和控制逻辑等部件组成， 如图8-27 (a)所示。 3. 电压频率转换器的工作原理 电压频率转换器(VFC)构成模/数转换器时，由计数器、控制门及一个具有 恒定时间的时钟门控制信号组成。图8-28所示为VFC型A/D转换器的原理图和波 形图。,第三节 A/D转换器,三A/D转换器主要参数 1.分辨率 2.量化误差 3.精度 4.转换时间 5.量程 6.输出逻辑电平 7.温度系数和增益系数 8.抑制比,第三节 A/D转换器,四典型A/D转换芯片 理想的A/D转换器对于CPU应该是一个简单的输入接口，或表现为一个 只读ROM。ADC0809是National半导体公司生产的CMOS材料的A

13、/D转 换器，是目前应用较为广泛的芯片之一。 1. ADC0809的引脚 ADC0809外部引脚如图8-29所示，ADC0809共有28根引脚。 2. ADC0809的内部结构 ADC0809主要由模拟输入通道选择、转换器和三态输出缓冲器三部分组 成。ADC0809的内部结构框图如图8-30所示。ADC0809地址译码与输 入通道的关系见表8-1。,第三节 A/D转换器,五ADC芯片与系统的连接 ADC芯片相当于“输入设备” ，在A/D 转换器与CPU接口 中必须考虑如下问题： A/D 转换器的转换时间； A/D 转换器的数字输出特性； A/D 转换器的分辨率和微处理器数据总线的位数； A/D

14、 转换器的控制和状态信号。,第三节 A/D转换器ADC芯片与系统的连接,1.A/D转换器的转换时间 A/D与CPU间的时间配合问题 A/D 转换器与CPU 的接口中，重点要解决的是时间配合问 题。下面是几种相应的解决方法。 固定延时等待法 保持等待法 中断响应法（图8-34给出此方法的程序流程图） 双重缓冲法 查询法,第三节 A/D转换器ADC芯片与系统的连接,2.A/D转换器的数字输出特性 A/D转换器与CPU 间除了明显的电器相容性以外，对A/D的数字输出必须考虑的关键两点为： 转换结果数据应由A/D锁存； 数据输出最好具有三态能力。 与主机的连接可分成两种方式： 1）直接相连：用于输出带

15、有三态锁存器的ADC芯片 2）通过三态锁存器相连：适用于不带三态锁存器的ADC芯片，也适用带有三态锁存缓冲器的芯片,第三节 A/D转换器ADC芯片与系统的连接,3. A/D 转换器的分辨率和微处理器数据总线位数统一的问题 （1）情况一 （2）情况二 4.A/D的控制和状态信号 启动信号 编程启动 定时启动 转换结束信号 输出允许信号,第三节 A/D转换器ADC芯片的应用,【例8-3】编程启动ADC，当转换结束后采用中断处理方式。系统连接如图8-40所示。 1、主程序 ；数据段 ADTEMPDB0；给定一个临时变量 ；代码段 ；设置中断向量等工作 STI；开中断 MOVDX，220H OUTDX

16、，AL；启动A/D转换 ；其他工作,第三节 A/D转换器ADC芯片的应用,2、中断服务程序 ADINTPROC STI；开中断 PUSHAX；保护寄存器 PUSHDX PUSHDS MOVAX，data；设置数据段DS MOVDS，AX MOVDX，220H INAL，DX；读A/D转换的数字量 MOVADTEMP，AL；送入缓冲区 MOVAL，20H；发送EOI命令 OUT20H，AL POPDS；恢复寄存器 POPDX POPAX IRET；中断返回 ADINTENDP,第三节 A/D转换器ADC芯片的应用,【例8-4】编程启动ADC，转换结束时，采用查询处理方式，系统连接如图8-41所示

17、。 1、启动转换 ；数据段 counterEQU 8 BUFDB counterDUP(0)；数据缓冲区 ；代码段 MOVBX，OFFSET BUF MOVCX，counter MOVDX，220H；从IN0开始转换 start1:OUTDX，AL；启动A/D转换 PUSHDX,第三节 A/D转换器ADC芯片的应用,2、查询读取 MOVDX，238H；查询是否转换结束 start2:INAL，DX；读入状态信息 TESTAL，80H；D71，转换结束否? JZstart2；没有结束，继续查询 POPDX；转换结束 INAL，DX；读取数据 MOVBX，AL；存入缓冲区 INCBX INCDX

18、LOOPstart1；转向下一个模拟通道,权 电 阻 转 换,图8-3 简单权电阻D/A转换电路示意图,图8-4T形权电阻D/A转换原理图,返回,实时检测与控制系统的构成图,图8-1实时检测与控制系统的构成图,返回,模 拟 输 入 通 道,模 拟 输 出 通 道,DAC0832的内部结构,图8-7DAC0832的内部结构示意图,返回,DAC0832的引脚图,图8-8 DAC0832的引脚图,返回,数字接口的引脚,模拟输出引脚,DAC芯片的连接,图8-12 主机数大于或等于DAC芯片的连接,图8-13 主机位数小于DAC芯片的连接,返回,两级锁存电路,图8-14两级锁存电路,模拟输出,返回,DAC芯片应用波形图,图8-19三角波波形图,图8-21 产生梯形波波形图,返回,产生梯形波的流程图,图8-20产生梯形波的程序流程图,返回,A/D转换器的工作原理,图8-22采样过程示意图,图8-24采样保持电路原理图,返回,A/D转换方法,图8-27 双积分法A/D转换器工作原理图 a)原理图b)波形图,返回,A/D转换方法,图8-28 VFC型A/D转换器的原理图波形图 a)原理图b)波形图,返回,ADC0809外部引脚,图8-29ADC0809外部引脚图,返回,启动转换输入,地址锁存有效输入信号,转换完成输出