第12章模拟量输入输出接口技术(1).ppt

1、本章主要教学内容 D/A、A/D转换器的基本概念及基本结构 D/A、A/D转换器的工作原理及其特点 D/A、A/D转换器的选用方法和编程技术 模拟接口技术的应用,第12章 模拟量输入输出 接口技术,12.1 模拟接口概述 在实际控制系统中采用的计算机所要加工、处理的信号可以分为模拟量（Analog）和数字量（Digit）两种类型，为了能用计算机对模拟量进行采集、加工和输出，就需要把模拟量转换成便于计算机存储和加工的数字量（称为A/D转换）送入计算机进行处理，同样经过计算机处理后的数字量所产生的结果依然是数字量，要对外部设备实现控制必须将数字量转换成模拟量（称为D/A转换），因此，D/A与A/D

2、转换是计算机用于多媒体、工业控制等领域的一项重要技术。 A/D、D/A转换器在微机控制系统中应用非常广泛。A/D转换器位于微机控制系统的前向通道，D/A转换器位于微机控制系统的后向通道。一般微机测控系统的组成框图如图12-1所示。,图12-1微机测控系统框图,12.2 典型D/A转换器芯片 12.2.1 D/A转换器的工作原理和主要参数 D/A转换的基本原理是用电阻解码网络，将N位数字量逐位转换成模拟量并求和，从而实现将N位数字量转化为模拟量。由于数字量不是连续的，其转换后的模拟量自然就不是连续的。同时由于计算机每次输出数据和D/A转换器进行转换需要一定的时间，因此实际上D/A转换器输出的模拟

3、量随时间的变化曲线不是连续的，而是呈阶梯状。,1. D/A转换器的工作原理 D/A转换器进行一次数字量到模拟量的转换需要的时间，称为D/A转换时间，一般在500ns左右。为了保存由计算机送来的数字信号，通常还需要配置一个“数据寄存器”，向D/A 转换器提供稳定的数字信号。D/A转换器的模拟量输出（电流或电压）与参考量（电流或电压）以及二进制数成比例，般来说，可用下面的式子表示模拟量输出和参考量及二进制数的关系： 其中X为模拟量输出，K为比例常数，VREF为参考量（电压或电流），B为待转换的二进制数，通常B的位数为8位、12位等。,（1）二进制加权电阻网络型D/A转换器 二进制加权电阻网络型D/

4、A转换器的结构如图12-2所示。该电路由权电阻（产生二进制权电流的电阻网络）、位切换开关（KlKn）、反馈电阻和运算放大器等组成。,图12-2 二进制加权电阻网络型D/A转换器,图12-3 行扫描法识别按键,（2）梯形电阻网络D/A转换器,梯形电阻网络D/A转换器的结构如图12-3所示。该电阻网络中仅有R和2R两种电阻，切换开关的工作原理与二进制加权电阻网络D/A转换工作原理相同。,2. D/A转换器的主要参数 （1）绝对精度 （2）相对精度 （3）分辨率 （4）建立时间 （5）温度系数 （6）非线性误差 12.2.2 八位D/A转换器DAC0832及其应用 DAC0832是8位分辨率的D/A

5、转换集成芯片，其明显特点是与微机连接简单、转换控制方便、价格低廉等，在微机系统中得到了广泛的应用。D/A转换器的输出一般都要接运算放大器，微小信号经放大后才能驱动执行机构的部件。,DAC0832主要技术指标如下： 分辨率为8位； 输出电流稳定时间，即转换速度约为1s； 非线性误差为 0.20%FSR； 温度系数为210-6/； 工作方式为双缓冲、单缓冲和直通方式； 逻辑输入与TTL电平兼容； 功耗为20mW； 单电源供电，电源范围为+5V+15 V。,1. DAC0832的内部结构 DAC0832的内部结构框图如图12-4所示，它由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位DAC转换器及转换控制电

6、路构成，DAC转换器采用梯型电阻网络。 2. DAC0832的引脚功能 DAC0832的外部封装为20脚双列直插式，如图12-5所示。,图12-4 DAC0832的内部结构,图12-5 DAC0832引脚,3. DAC0832的工作方式 DAC0832内部有两个寄存器，能实现3种工作方式： （1）直通方式：直通工作方式是指两个寄存器的有关控制信号都预先置为有效，两个寄存器都开通。 （2）单缓冲方式：单缓冲工作方式是指只有一个寄存器受到控制，这时将另一个寄存器的有关控制信号预先设置成有效，使之开通； 或者将两个寄存器的控制信号连在一起，两个寄存器作为一个来使用。 （3）双缓冲方式：双缓冲工作方式

7、是指两个寄存器分别受到控制，该方式可提高采集数据的速度。,4. DAC0832的输出 DAC0832是电流形式输出，当需要电压形式输出时，必须外接运算放大器。如图12-6所示。,（a）反相输出 （b）同相输出 图12-6 DAC0832的输出,5. DAC0832芯片与微机接口电路的设计 选择和使用D/A转换器时要注意以下几点： （1）合理选择DAC芯片，要满足系统要求的D/A转换器分辨率和工作温度范围；然后根据DAC芯片的结构和应用持性选择D/A转换器，使接口的外围电路简单、使用方便。 （2）设计和连接接口，具有三态输入数据寄存器的DAC芯片可直接与计算机I/O插槽上的数据总线相接，同时，要

8、为D/A转换器配置个端口地址。 （3）配置参考电源，若D/A芯片无参考电源，则需外接。参考电压工作应该稳定、可靠，温度漂移要小。,12.3 典型A/D转换器芯片 A/D转换器的功能是把模拟量电压转换为数字量电压。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要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。香农定理规定：采样频率一般要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48倍。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。 相邻两次采样的间隔时间称为采样周

9、期。为了使输出量能充分反映输入量的变化情况，采样周期要根据输入量变化的快慢来决定，而一次A/D转换所需要的时间显然必须小于采样周期。,12.3.1 A/D转换器工作原理和主要参数 1. A/D转换器的分类及工作原理 A/D转换器如果按照输入模拟量的极性分类，可以分为单极型和双极型两种；如果按照输出数字量分类，可以有并行方式、串行方式及串/并行方式；如果按A/D转换器的转换原理分类，可以分为积分型、逐次逼近型和并行转换型。 下面重点介绍最常用的逐次逼近型A/D转换器的工作原理。 逐次逼近型A/D转换器如图12-11所示。,图12-11逐次逼近型A/D转换器,工作时，置数选择逻辑电路给逐次逼近比较

10、寄存器置数，经D/A转换器转换成模拟量并和输入的模拟信号比较，当输入模拟电压大于或等于D/A转换器的输出电压时，比较器置“1”，否则置“0”。置数选择逻辑电路根据比较器的结果修正逐次逼近比较寄存器的数值，使所置数据转换后得到的模拟电压逐渐逼近输入电压，经过N次修改后，逐次逼近比较寄存器中的数值就是A/D转换的最终结果。,逐次逼近型A/D转换器的主要特点是： （1） 转换速度较快，转换时间在1100s以内，分辨率可达18位，特别适用于高精度和高频信号的A/D转换； （2） 转换时间固定，不随输入信号的大小而变化； （3） 抗干扰能力不如双积分型A/D转换器。模拟信号输入采样过程中，若在采样时刻一

11、个干扰脉冲迭加在模拟信号上，则采样时，干扰信号被采样和转换为数字量，这就会造成较大的误差，所以需要采取适当的滤波措施。 这类典型芯片主要有ADC0809、ADCl210、AD574等，逐次逼近型A/D转换器是目前应用较多的A/D转换器芯片。,2. A/D转换器的主要性能参数 （1）分辨率：反映了A/D转换器对输入微小变化的响应能力，通常用数字量最低位（LSB）所对应的模拟输入电平值表示。 （2）精度：精度采用绝对误差和相对误差两种方法来表示。 （3）转换时间：是指完成一次A/D转换所需要的时间，即由发出转换命令信号到转换结束信号开始有效的时间间隔。 （4）温度系数：是表示A/D转换器受环境温度

12、影响的程度，一般采用环境温度变化1所产生的相对转换误差来表示。 （5）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。 （6）逻辑电平及方式：多数A/D转换器输出的数字信号与TTL电平兼容，以并行方式输出。 （7）工作温度范围：A/D转换器的工作温度范围一般为070，军用品为55125。,12.3.2 ADC0809转换器及其应用 ADC0809是8位、8通道逐次逼近式A/D转换器，由美国NS公司生产。片内有8路模拟开关，可以同时连接8路模拟量，单极性，量程为05V。典型的转换速度为100s。片内有三态输出缓冲器，可以直接与微机总线相连接。该芯片有较高的性能价格比，适用于对精度

13、和采样速度要求不高的场合或一般的工业控制领域。由于其价格低廉，便于与微机连接，因而应用十分广泛。,1. ADC0809的结构及工作原理 ADC0809采用单一的十5V电源供电，外接工作时钟为500kHz时，转换时间大约为128ms，工作时钟为640kHz时，转换时间大约为100ms。允许模拟输入为单极性，无需零点和满刻度调节，内部有8个锁存器控制的模拟开关，可以通过编程选择8个通道中的任一个。 ADC0809的逻辑结构如图12-12所示，其内部由256R电阻分压器、 树状模拟开关（这两部分组成一个D/A变换器）、电压比较器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。其基本工作原理是采用对分搜索方

14、法逐次比较，找出最逼近于输入模拟量的数字量。电阻分压器需外接正负基准电源VREF（+）和VREF（）。 CLOCK端外接时钟信号，A/D转换器的启动由START信号控制，转换结束时控制电路将数字量送入三态输出锁存器锁存，并产生转换结束信号EOC。,图 12-12 ADC0809的逻辑结构,2. ADC0809主要技术指标 （1）分辨率为8位； （2）总的非调整误差为1 LSB； （3）增益温度系数为0.02； （4）低功耗电量，为20mW； （5）单电源+5 V供电，基准电压由外部提供，典型值为+5 V，此时允许模拟量输入范围为05 V； （6）转换速度约1s，转换时间为100s（时钟频率为6

15、40 Hz）； （7）具有锁存控制功能的8路模拟开关，能对8路模拟电压信号进行转换； （8）输出电平与TTL电平兼容。,3. ADC0809的引脚功能 ADC0809引脚见图12-13所示。,图12-13 ADC0809引脚,4. ADC0809的工作时序 ADC0809工作时序如图12-14所示，从图中可以看出各信号的时序关系，完成一次转换所需要的时间为6673个时钟周期。,图12-14 ADC0809的工作时序,5. ADC0809与微机接口 通常使用的A/D转换芯片一般都具有数据输出、启动转换、转换结束、时钟和参考电平等引脚。ADC芯片与主机的连接就是处理这些引脚的连接问题。 （1）AD

16、C0809与CPU的直接连接 ADC0809与系统采用直接连接方法见图12-15所示。占用三个I/O端口：端口1用来向0809输出模拟通道号并锁存；端口2用于启动转换；端口3读取转换后的数据结果。,图12-15 ADC0809与系统的直接连接,（2）系统通过并行接口芯片8255A与ADC0809的连接 硬件电路的连接见图12-16所示。该系统可对8路模拟量分时进行数据采集。转换结果采用查询方式传送，除了一个传送转换结果的输入端口外，还需要传送8个模拟量的选择信号和A/D转换的状态信息。将8255的A口输入方式设定为方式0，B口的PB5PB7输出选择8路模拟量的地址选通信号，PC1输出ADC08

17、09的控制信号，PB0作为启动信号。由于ADC0809需要脉冲启动，所以通过软件编程让PB0输出一个正脉冲，EOC信号直接接PC1。,图12-16 ADC0809与系统连接图,12.4 模拟接口应用实例 为了综合应用模拟接口技术，我们设计并分析一个在PC机ISA扩展槽上采用中断方式进行8路数据采集和单通道模拟量输出的接口电路系统。 该系统要求采用ADC0809及DAC0832构建一个通用的8位A/D输入、D/A输出的采集卡，利用PC微机系统的IRQ2信号作为ADC的外部中断信号，使ADC的8个通道循环采集，每个通道采样100次，采集的数据存放在内存，并在屏幕上显示结果。 （1）根据题目要求画出

18、实现该系统功能的电路原理图，如图12-20所示。其中DAC0832为单极性输出，也可根据要求变换为双极性输出。,图12-20 A/D、D/A应用,（2）设计中断控制位，用于控制ADC0809的EOC中断申请，CPU写入中断口9FH的数据为0（用数据总线D7位控制）时，不允许EOC申请中断，写数据80H时允许EOC申请中断。（此部分电路图上省略，读者可以自行考虑设计） （3）相关的控制端口地址设计为以下内容： ADC0809输出允许（读数据）端口地址为1FH； ADC0809启动转换端口地址为3FH； 通道地址由数据总线的低3位D2D0编码产生，我们将通道选择和启动转换结合起来完成，所以口地址也为3FH； DAC0832使能地址为5FH； 中断申请端口地址为9FH； 地址译码功能由74LS138译码器和相关门电路完成。,（4）由于D