模擬量輸入輸出與數(shù)據(jù)采集卡

1、第六章 模擬量輸入輸出與數(shù)據(jù)采集卡通過本章的學(xué)習(xí)，使考生掌握D/A， A/D 轉(zhuǎn)換的原理和典型芯片，在此基礎(chǔ)上了解工業(yè)控制計(jì)算機(jī)常用模板的組成和應(yīng)用。要求：(1) 了解D/A轉(zhuǎn)換的工作原理和 8位，12位D/A轉(zhuǎn)換芯片；D/A轉(zhuǎn)換器與總線的連接和 應(yīng)用方法。(2) 了解 A/D 轉(zhuǎn)換器的工作原理和指標(biāo)，熟悉 A/D 轉(zhuǎn)換的典型芯片和多路轉(zhuǎn)換器，采樣 保持器的工作原理。(3) 了解數(shù)據(jù)采集卡的組成和指標(biāo)及其應(yīng)用方法，了解工控機(jī)配套模板的概況。一、重點(diǎn)提示本章重點(diǎn)是 D/A， A/D 轉(zhuǎn)換器的工作原理，與總線的連接方法。二、難點(diǎn)提示 本章難點(diǎn)是利用這些芯片和多路開關(guān)、采樣保持器組成數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用

2、方法。 考核目的：考核學(xué)生對微型計(jì)算機(jī)的模擬通道的構(gòu)成及工作原理的掌握。1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 D/A(1) D/A 轉(zhuǎn)換的指標(biāo)和工作原理/ (2) 典型 D/A 轉(zhuǎn)換器芯片(3)D/A 轉(zhuǎn)換器與總線的連接2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 A/D(1) A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理(雙積分和逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換)，A/D轉(zhuǎn)換器主要指標(biāo)(2) 典型A/D轉(zhuǎn)換器芯片(ADC0809及.12位A/D芯片)的功能和組成，與總線的連接3 多路開關(guān)(1) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對多路開關(guān)的要求(2) 幾種多路開關(guān)芯片(3) 幾種多路開關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)4 .采樣保持器(1) 采樣保持器的工作原理(2) 常用的采樣保持器芯片5 .數(shù)據(jù)采集卡的組成及其

3、應(yīng)用本章知識結(jié)構(gòu)如下：(一) D/ A 轉(zhuǎn)換接口D/A 轉(zhuǎn)換器的作用是將二進(jìn)制的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量。D/A轉(zhuǎn)換器的主要部件是電阻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，其主要網(wǎng)絡(luò)形式有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和R-2R 梯形電阻網(wǎng)絡(luò)。集成D/A芯片類型很多，按生產(chǎn)工藝分有雙極型、MOS型等；按字長分有 8位、10位、12位等；按輸出形式分有電壓型和電流型。另外，不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，其型號各不相同。 例如，美國國家半導(dǎo)體公司的D/A芯片為DAC系列，如DAC0832等；美國模擬器件公司的D/A芯片為AD系列，如AD558等。使用時可參閱各公司提供的使用手冊。1. DAC0832DAC0832是美國國家半導(dǎo)體公司采用CMOSC藝生產(chǎn)的

4、8位D/A轉(zhuǎn)換集成電路芯片。它具有與微機(jī)連接簡單、轉(zhuǎn)換控制方便、價格低廉等特點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。(1) DAC0832 的結(jié)構(gòu)與引腳DAC0832的邏輯結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。片內(nèi)有R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)，用于對參考電壓提供的兩條回路分別產(chǎn)生兩個電流信號I0UT1和IOUT20 DAC0832采用8位輸入寄存器和8位DAC寄存器二次緩沖方式，這樣可以在D/A輸出的同時，送入下一個數(shù)據(jù)，以便提高轉(zhuǎn)換速度。每個輸入數(shù)據(jù)為8位，可以直接與微機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，其邏輯電平與TTL電平兼容。DAC奇存器WE11'WRIKiki Tiio DGNIJm tjLL »jED*12 t120%

5、2I1'rAGNl> 318顱DI,41 kXFEIlDL -SI'DL*叫6Dir.叫一7%fiDL咕一912Utt一10ii17 xriJiDI 7 D1o 一一 D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入引腳。其中DI o為最低位，10D17為最咼位。CS片選信號輸入端，低電平有效。WR1 一輸入寄存器的寫信號，低電平有效。ILE 一一輸入寄存器選通信號，高電平有效。II . E信號和CS、WR1共同控制選通輸入寄存器。當(dāng)CS、WR均為低電平，而ILE為高電平時，LEi 0,輸入數(shù)據(jù)被送至 8位輸入寄存器的輸出端；當(dāng)上述三個控制信號任一個無效時，LE1變高，輸入寄存器將數(shù)據(jù)鎖存，輸出

6、端呈保持狀態(tài)。XFER 從輸入寄存器向DAC寄存器傳送D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的控制信號，低電平有效。WR2DAC寄存器的寫信號，低電平有效。當(dāng)XFER和WR2同時有效時，輸入寄存器的數(shù)據(jù)裝入DAC寄存器，并同時啟動一次D/A轉(zhuǎn)換。VCC 芯片電源，其值可在 +5+15 V之間選取，典型值取 +15 V。AGND-模擬信號地。DGN數(shù)字信號地。Rfb 一一內(nèi)部反饋電阻引腳，用來外接D/A轉(zhuǎn)換器輸出增益調(diào)整電位器。Vref D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓，其范圍可在-10+ 10 V內(nèi)選定。該端連至片內(nèi)的 R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)，由外部提供一個準(zhǔn)確的參考電壓。該電壓精度直接影響著D/A轉(zhuǎn)換精度。255 VrefIo

7、ut1 D/A轉(zhuǎn)換器輸出電流1,當(dāng)輸入全l時，輸出電流最大，約為I256 Rfb當(dāng)輸入為全O時，輸出電流最小，即為 QI OUT2 -D/ A轉(zhuǎn)換器輸出電流2,它與I OUT1 有如下關(guān)系：I OUT 1 I OUT 2 =常數(shù)D/A 轉(zhuǎn)換沒有形式上的啟動信號。實(shí)際上將數(shù)據(jù)寫入第二級寄存器的控制信號就是D/A轉(zhuǎn)換器的啟動信號。另外，它也沒有轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，D/A過程很快，一般還不到一條指令的執(zhí)行時間。(2)DAC0832 的工作方式DAC0832內(nèi)部有兩個寄存器，能實(shí)現(xiàn)三種工作方式：雙緩沖、單緩沖和直通方式。雙緩沖工作方式是指兩個寄存器分別受到控制。當(dāng)ILE、CS和WR信號均有效時，8位數(shù)字量被

8、寫入輸入寄存器，此時并不進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng) WR和XFER信號均有效時，原來存放在輸入寄存器中的數(shù)據(jù)被寫入DAC寄存器，并進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。在一次轉(zhuǎn)換完成后到下一次轉(zhuǎn)換開始之前，由于寄存器的鎖存作用，8位D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)保持恒定，因此D/A轉(zhuǎn)換的輸出也保持恒定。單緩沖工作方式是指只有一個寄存器受到控制。這時將另一個寄存器的有關(guān)控制信號預(yù)先設(shè)置成有效，使之開通，或者將兩個寄存器的控制信號連在一起，兩個寄存器作為一個來使用。兩個寄存器都開通。只直通工作方式是指兩個寄存器的有關(guān)控制信號都預(yù)先置為有效， 要數(shù)字量送到數(shù)據(jù)輸入端，就立即迸入D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種方式應(yīng)用較少。(3

9、) 電壓輸出電路的連接：DAC0832以電流形式輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，若要得到電壓形式的輸出；需要外加I/V轉(zhuǎn)換電路，常采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換。對于單極性輸出電路，輸出電壓為：VouT Vref式中D為輸入數(shù)字量的十進(jìn)制數(shù)。因?yàn)檗D(zhuǎn)換結(jié)果Ioutt接運(yùn)算放大256器的反向端，所以式中有一個負(fù)號。若Vref5V ,當(dāng)D一 0255 (00HFFH)時,VOUT(0 4.98)V。通過調(diào)整運(yùn)算放大器的調(diào)零電位器，可以對D/A芯片進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償。通過調(diào)節(jié)外接于反饋回路的電位器 RP1,可以調(diào)整滿量程。對于雙極性輸出電路，輸出電壓的表達(dá)式為：D 128VoutVref 右 Vref 5V ,當(dāng) D=O 時，

10、Vout10,Vout5V ；當(dāng)128D=128(80H)時，Vout12.5V,V°ut0 ；當(dāng) D=255(FFH)時，V°ut15.98V,V°ut4.96V。2. D/A轉(zhuǎn)換芯片與微處理器的接口計(jì)算機(jī)是通過輸出指令將要轉(zhuǎn)換的數(shù)字送到D/A轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn) D/A轉(zhuǎn)換的，但由于輸出指令送出的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上持續(xù)的時間很短，因而需要數(shù)據(jù)鎖存器來鎖存 CPU送來的數(shù)據(jù)，以便完成D/A轉(zhuǎn)換。目前生產(chǎn)的DAC芯片有的片內(nèi)帶有鎖存器 (如本節(jié)介紹的 DAC0832 , 而有的則沒有。在實(shí)際中若選用了內(nèi)部不帶鎖存器的D/A轉(zhuǎn)換芯片，就需要在 CPU和D/A芯片之間增加鎖存

11、電路。(二) A/D轉(zhuǎn)換接口A/D 轉(zhuǎn)換器是模擬信號源與計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字系統(tǒng)之間聯(lián)系的橋梁，它的任務(wù)是將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， 以便計(jì)算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理。 在工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集 及許多其他領(lǐng)域中， A/D轉(zhuǎn)換器是不可缺少的重要組成部分。A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器的主要由于應(yīng)用特點(diǎn)和要求的不同，需要米用不同工作原理的類型有：逐位比較（逐位逼近）型、積分型、計(jì)數(shù)型、并行比較型、電壓-頻率型（即 V/F型）等。在選用A/D轉(zhuǎn)換器時，主要應(yīng)根據(jù)使用場合的具體要求，按照轉(zhuǎn)換速度、精度、功能以及接口條件等因素決定選擇何種型號的A/D轉(zhuǎn)換芯片。1. ADC0809ADC0809 是逐位逼近型

12、 8通道、8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，CMO工藝制造，雙列直插式 28引 腳封裝。給出了 ADC0809芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及引腳圖（圖中給出的數(shù)據(jù)為對應(yīng)的引腳號）。ADC0809片內(nèi)有8路模擬開關(guān)，可輸入8個模擬量，單極性輸入，量程為o+5V。典型的轉(zhuǎn)換速度為lOOms片內(nèi)帶有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與CPU總線接口。其性能價格比有明顯的優(yōu)勢，是目前廣泛采用的芯片之一，可應(yīng)用于對精度和采樣速度要求不高的數(shù)據(jù)采集場合或一般的工業(yè)控制領(lǐng)域。（1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)換原理如下圖所示，ADC0809內(nèi)部由三部分組成：8路模擬量選通輸入部分，8位A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。ADC20809允許連接8路模擬信號（I

13、N 7IN。）,由8路模擬開關(guān)選通其中一路信號輸入并 進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，模擬開關(guān)受通道地址鎖存和譯碼電路的控制。當(dāng)?shù)刂锋i存信號ALE有效時，3位地址ADDCADDB和ADDA通常與地址總線 A2、A1和A引腳相連）進(jìn)入地址鎖存器，經(jīng) 譯碼后使8路模擬開關(guān)選通某一路模擬信號。輸入的地址信息與所選通的模擬通道之間存在 對應(yīng)的關(guān)系。如當(dāng) ADDC ADDB ADDA=000時，IN 0 選通；ADDC AD-DB ADDA一 001時，INo選通；ADDC ADDB ADDA= 111 時，IN 7 選通。MX' LHUM44IADDAADl>CALEFN W IN.INJN.q i&g

14、t;申脫遶溝入都停:MSLVI酣換理 :三羸蝕増韻出勒存耦START CKOCK；sl :地址鎬奇幵關(guān)控制與定時208歷,H,17GNTl8 位A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式，由256R電阻分壓器、樹狀模擬開關(guān)（這兩部分組成一個D/A轉(zhuǎn)換器）、電壓比較器、逐次逼近寄存器SAR邏輯控制和定時電路組成。其工作原理是采用對分搜索方法逐次比較，找出最逼近于輸入模擬量的數(shù)字量。電阻分壓器需外接正負(fù)基準(zhǔn)電源Vref（）禾口 nVREF（）。CLOCK端外接時鐘信號。A/D轉(zhuǎn)換器的啟動由START言號控 制。轉(zhuǎn)換結(jié)束時控制電路將數(shù)字量送人三態(tài)輸出鎖存器鎖存，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC三態(tài)輸出鎖存器用來保存A/D轉(zhuǎn)換

15、結(jié)果，當(dāng)輸出允許信號OE有效時，將打開三態(tài)門，使轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。（2）引腳定義IN。 IN 7 8路模擬量輸入端。ADDC ADDE和ADDA地址輸入端，以選通 IN 7IN 0的8路中的某一路信號。AIE 地址鎖存允許信號，有效時將ADDC ADDB和ADDA鎖存。CLOCK 外部時鐘輸入端。允許范圍為101280kHz。時鐘頻率越低，轉(zhuǎn)換速度就越慢。STARTA/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。有效信號為一正脈沖，若在脈沖的上升沿，A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部寄存器均被清零，在其下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換。EOC A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。在 START信號上升沿之后不久，EOC變?yōu)榈碗娖?。?dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC立即輸出

16、一正階躍信號，可用來作為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的查詢信號或中斷請求信號。OE-輸出允許信號。當(dāng) OE輸入高電平信號時，三態(tài)輸出鎖存器將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)量輸出端D7D0。D?Do數(shù)字量輸出端。Do為最低有效位（LSB） , Di為最高有效位（MSB）。VLL與GND-電源電壓輸入端及地線。vref（ ） hVREF（）正負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入端。中心值為（VREF（ r） Vref（） / 2 （應(yīng)接近于Vlc/2），其偏差不應(yīng)該超過 +0.1V。正負(fù)基準(zhǔn)電壓 的典型值分別為+5V和OV。ADC0809的數(shù)字量輸出值D （十進(jìn)制數(shù)）與模擬量輸入值VIN之間的關(guān)系如下：DV；EF（）28通常Vref（）

17、0V , 所以 D 瀘256當(dāng)VREF（ ） VREF（ ）VREF（）Vref（ ） 5V,Vref（.） 0V，輸入的單極性模擬量從 OV到4.98V變化時，對應(yīng)的輸出數(shù)字 量在O到255 （00H-FFH） 之間變化。 一、單項(xiàng)選擇題 1下列哪一項(xiàng)不屬于 D/A 轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo) ( )A 分辨率 B 穩(wěn)定時間C 輸出電平 D 引腳數(shù)量 答案 D【解析】 D/A 轉(zhuǎn)換器韻技術(shù)指標(biāo)：分辨率、穩(wěn)定時間、輸出電平、 絕對精度、 相對精度、 線性誤差、溫度系數(shù)。2. 下列不是DAC0832內(nèi)部組成的選項(xiàng)是()A.2 個數(shù)據(jù)緩沖寄存器 B 8 位輸入寄存器C . 256BRAMD . 8 位 DA

18、C寄存器 答案 C ，【解析】。典型 D/A 轉(zhuǎn)換芯片的組成：(1)DAC0832. 有2個數(shù)據(jù)緩沖寄存器、8位輸入寄存器和 8位DAC寄存器。DAC1210. 有8位D/A轉(zhuǎn)換器、12位輸入寄存器和 12位DAC寄存器。典型 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的型號，功能和組成：(1) ADC0809功能：將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， 可應(yīng)用于對精度和采樣速度要求不高的 場合，或一般的工業(yè)控制領(lǐng)域。組成：模擬輸入部分(有 8 路單端輸入的多路開關(guān)和地址鎖存與譯碼邏輯) 、變換器部 分(控制邏輯、逐位逼近寄存器SAR比較器、電阻網(wǎng)絡(luò))、三態(tài)輸出緩，沖器、基準(zhǔn)電壓輸入端 REF(+)和 REF(-)。(2

19、) AD574A功能：是12位逐次逼近式的 ADC將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，適用于對 精度和速度要求較高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)時控制系統(tǒng)。組成：數(shù)據(jù)輸出寄存器、三態(tài)輸出的控制邏輯、逐次逼近寄存器、時鐘電路、D/A轉(zhuǎn)換器。3. 下列哪項(xiàng)是實(shí)現(xiàn)十六選一的多路轉(zhuǎn)換器( )A . AD7501 B . AD7506C . AD7502 D . CD4051B 答案 B【解析】典型多路轉(zhuǎn)換器的型號和功能：(1)AD750l和AD7503選擇8個通道中的一路。(2)AD7502實(shí)現(xiàn)雙四選一，選擇8 路輸人中的 2 個通道。(3)AD7506實(shí)現(xiàn)十六選一。(4)CD4051B雙向模擬多路開關(guān)，既可以用

20、于“多到一”也可用于“一到多”的切換。4.下列哪項(xiàng)不是高速采樣保持器芯片( )A . LF198 B . HTS0025C. HTS 0060 D.HTS-0300 答案 A 【解析】典型采樣保持器的型號和功能： 功能：在 A/D 進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間保持采樣輸入信號大小不變。(1) 通用型芯片： LFI98 、 LF398、AD582K、AD583K。(2) 高速芯片：HTS 0025、HTS 0060、HTS 0300。(3) 高分辨率芯片 .SHAll44 。二、填空題1 D/A 轉(zhuǎn)換的用途是 ；A/D 轉(zhuǎn)換的用途是 。 答案 將計(jì)算機(jī)中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 【

21、解析】 (1)D/A 轉(zhuǎn)換用途：將計(jì)算機(jī)中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，一般為電壓或者電流 信號。(2)A/D 轉(zhuǎn)換用途：將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便計(jì)算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)進(jìn) 行處理、存儲、控制和顯示。A/D 轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)： 分辨率、 精度、轉(zhuǎn)換時間、 電源靈敏度、 量程、輸出邏輯電平、 工作溫度范圍。2. DAC0832有三種工作方式，分別是 、。 答案 雙緩沖工作方式單緩沖工作方式直通工作方式 【解析】雙緩沖工作方式可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和啟動轉(zhuǎn)換可異步進(jìn)行； 單緩沖工作方式是使兩個寄存器中任一個處于直通狀態(tài)，另一個工作于受控鎖存器狀 態(tài)；直通工作方式中數(shù)字信號一旦到達(dá)它的數(shù)據(jù)總線之后，立即

22、進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換進(jìn)而輸出，所以一般情況下很少采用這種方式連接。三、綜合應(yīng)用題1.將內(nèi)存緩沖區(qū) BUFFER中1000個字節(jié)數(shù)據(jù)送 D/A 答案 SUB1 ：MOVCX ，1000MOVBX，OFFSET BUFFERMOVDX.PORTALOOP1 ：MOVAL ，BXOUTDX.ALCALLDELAYlmsINCBXLOOP LOOP1RETDELAYlms ： MOV CX ， 0EFFHLOP: NOPLOOP LOPRET【解析】D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)送來的數(shù)據(jù)可以輸出相應(yīng)的波形，而且余弦波和正弦波就是通過這種形式輸出的。2.利用DAC0832編程實(shí)現(xiàn)三角波發(fā)生器。MOV AL,00HLOPl

23、 OUT DX,ALCALL DELAYINC ALCMP AL,0FFHJE LOP2JMP LOP1LOP2:OUT DX,ALCALL DELAYDEC ALCMP AL,OOHJE LOP1JMP LOP2RET【解析】利用0832編程產(chǎn)生三角波的規(guī)律是：首先從一個最小的數(shù)開始連續(xù)加 1輸出， 到了最大數(shù)之后再減 1連續(xù)輸出，到了最小之后再重復(fù)前一個過程， 這樣連續(xù)循環(huán)即可， 如 果每個數(shù)的輸出時間很長，就可以變成了一個鋸齒波形輸出了。3 設(shè)計(jì)一個能用中斷方式巡回取樣8路模擬輸入，采集100組數(shù)據(jù)后停的系統(tǒng)，畫出硬件和相應(yīng)的軟件部分流程圖和源程序。答案(1)電路圖如下：(2)軟件流程圖如下:至厚序J開申廝/ / / /啟動扎町轉(zhuǎn)換i1/怪改內(nèi)存胞址暮溝申斷XF * = 、*S*中斷緒朿中斷碁輕序設(shè)眄地吐題園)蕪申新逅回DOS1O(3)軟件源程序如下:主程序部分:STACK