微機原理 模擬量輸入輸出

微機原理模擬量輸入輸出第一頁，共四十九頁，2022年，8月28日18.1模擬量輸入輸出通道的組成模擬量輸入輸出通道是微型計算機與控制對象之間的一個重要接口，也是實現(xiàn)工業(yè)過程控制的重要組成部分。工業(yè)生產(chǎn)中，需要測量和控制的物理量往往是連續(xù)變化的電流、電壓、溫度、壓力、位移、流量等。利用計算機實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的自動監(jiān)測和控制，①必須能夠?qū)⑸a(chǎn)過程中監(jiān)測設備輸出的連續(xù)變化的模擬量轉變?yōu)橛嬎銠C能夠識別和接受的數(shù)字量。②能夠?qū)⒂嬎銠C發(fā)出的控制命令轉換為相應的模擬信號，去驅(qū)動模擬調(diào)節(jié)執(zhí)行機構。這樣兩個過程，都需要模擬量的輸入和輸出通道來完成。第二頁，共四十九頁，2022年，8月28日2模擬量的輸入輸出通道結構圖第三頁，共四十九頁，2022年，8月28日38.1.1模擬量的輸入通道傳感器：是用于將工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的某些非電物理量轉換為電量的器件。例如溫度傳感器：溫度電壓信號；壓力傳感器：壓力的變化電信號2.變送器：將傳感器的輸出信號轉換成0~10mA、4~20mA的統(tǒng)一電流信號或者0~5V的電壓信號。傳感器輸出的電信號都比較微弱，有些傳感器的輸出甚至是電阻值、電容值等非電量。為了易于與信號處理環(huán)節(jié)銜接，需要將這些微弱電信號及電阻值等非電量轉換成統(tǒng)一的電信號，變送器就是實現(xiàn)這一功能的器件。第四頁，共四十九頁，2022年，8月28日4

3.信號處理環(huán)節(jié)：將變送器輸出的信號進行放大或處理成與A／D轉換器所要求的輸入相適應的電壓水平。信號處理環(huán)節(jié)主要包括信號的放大及干擾信號的去除4.多路轉換開關：在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要采集的模擬量一般比較多，且不少模擬量是緩慢變化的信號。對這類模擬信號的采集，可采用多路模擬開關，使多個模擬信號共用一個A/D轉換器進行采樣和轉換，以降低成本。第五頁，共四十九頁，2022年，8月28日55.采樣保持電路：在數(shù)據(jù)采樣期間，保持輸入信號不變的電路稱為采樣保持電路。由輸入模擬信號連續(xù)變化，A/D轉換器完成一次轉換需要一定轉換時間。對變化較快的模擬輸入信號，如果在轉換期間輸入信號變化，引起轉換誤差。所以增加一級采樣保持電路，保證在轉換過程中輸入信號保持在其采樣時的值。6.模數(shù)A/D轉換器：將輸入的模擬信號轉換成計算機能夠識別的數(shù)字信號，以便計算機進行分析和處理。第六頁，共四十九頁，2022年，8月28日68.1.2模擬量的輸出通道計算機的輸出信號是數(shù)字信號，而有的控制執(zhí)行元件要求提供模擬的輸入電流或電壓信號，需要將計算機輸出的數(shù)字量轉換為模擬量。由模擬量的輸出通道來完成。①將數(shù)字量轉換為模擬量同樣需要一定的轉換時間，要求在整個轉換過程中待轉換的數(shù)字量要保持不變，而計算機的運行速度很快，其輸出的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上穩(wěn)定的時間很短，因此，在計算機與D／A轉換器之間必須加一級鎖存器以保持數(shù)字量的穩(wěn)定。②

D/A轉換器的輸出端一般還要加上低通濾波器，以平滑輸出波形。③為了能夠驅(qū)動執(zhí)行器件，需要將輸出的小功率的模擬量加以放大。第七頁，共四十九頁，2022年，8月28日78.2數(shù)模轉換器（D/A）8.2.1D/A轉換器的基本原理及技術指標D/A轉換器的基本工作原理

D/A轉換器的作用是將數(shù)字量轉換為模擬量，數(shù)字量由二進制位組成，每個二進制位的權為2i，要把數(shù)字量轉換為模擬電壓，需要先把數(shù)字量的每一位上的代碼按權轉換成對應的模擬電流，再把模擬電流相加，最后由運算放大器將其轉換成模擬電壓。第八頁，共四十九頁，2022年，8月28日8A/D轉換器結構示意圖第九頁，共四十九頁，2022年，8月28日9第十頁，共四十九頁，2022年，8月28日10第十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日11如果R1=21R，R2=22R，……Rn=2nR，即每一位電阻值都具有權值2j

，且由一個開關Sj控制，當Sj閉合時Sj=1，Sj斷開時Sj=0。令則討論：當所有開關Sj斷開時，Vo=0；當所有開關Sj閉合時，最大。第十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日12D/A轉換的基本原理：如果用二進制編碼來控制每一路的Sj，當?shù)趇路的二進制碼為1時，使第j位的Sj閉合；第j路的二進制碼為0時，使對應的Sj斷開，則數(shù)字量的變化就轉換成了模擬量的變化。

D/A轉換器的轉換精度與基準電壓Vref和權電阻Rj的精度以及數(shù)字量的位數(shù)j有關。位數(shù)越多，轉換精度越高，同時所需的權電阻的種類就越多。在集成電路中制造高阻值的精密電阻比較困難，因此常用T形電阻網(wǎng)絡代替權電阻網(wǎng)絡。第十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日13輸出電壓Vo正比于輸入數(shù)字量Dn，幅度大小由Vref和Rf/R的比值決定第十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日14①將待轉換的數(shù)字量D0~D7通過數(shù)據(jù)緩沖器送至數(shù)據(jù)鎖存器，保證轉換過程中數(shù)字量的穩(wěn)定。②鎖存器的輸出接到多路模擬開關，使數(shù)據(jù)信號的高低電平轉變成相應的開關狀態(tài)。③各位模擬開關輸出的電流通過電阻網(wǎng)絡進行加權，合成一個與輸入數(shù)字量等效的模擬電流信號再經(jīng)過驅(qū)動放大電路，形成模擬量的輸出。第十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日152.D/A轉換器的主要技術指標分辨率：①分辨率是D/A轉換器對數(shù)字輸入量變化的敏感程度的度量。它表示輸入每變化一個最低有效位使輸出變化的程度，可用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位，10位等。②輸入數(shù)字量等于1時的電壓值與輸入數(shù)字量等于最大值時的滿度電壓值之比，例如，一個n位的D/A轉換器，若其滿度電壓值為V，其最低有效位對應的電壓值就為V/(2n一1)，則該D/A轉換器的分辨率等于1/(2n一1)。第十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日16(2)轉換精度：表示由于D／A轉換器的引入而使其輸出和輸入之間產(chǎn)生的誤差。可用絕對轉換精度或相對轉換精度來表示。絕對轉換誤差是指實際的輸出值與理論值之間的差距，它與D/A轉換器參考電壓的精度、權電阻的精度等有關。相對轉換精度是絕對轉換精度與滿量程輸出之比，是常用的描述輸出電壓接近理想值程度的物理量，更具有實用性。例如，一個D／A轉換器的絕對轉換精度為±0.05V，若輸出滿刻度值為5V，則其相對轉換精度為±1%。第十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日17（3）轉換時間：當輸入數(shù)字量滿刻度變化(如全0到全1)時，從數(shù)字量輸入到輸出模擬量達到與終值相差±1/2LSB(最低有效位)相當?shù)哪M量值所需的時間，它表示D/A轉換器的轉換速率。（4）線性誤差：實際輸出特性偏離理想轉換特性的最大值，通常用最大差值折合成的數(shù)字量來表示。在D/A轉換時，若數(shù)據(jù)連續(xù)轉換，則輸出的模擬量應該是線性的。即理想情況下，D/A轉換器的輸入輸出曲線是一條直線，但實際的輸出特性曲線與理想的曲線之間存在一定的誤差。（5）動態(tài)范圍：是指最大和最小輸出值范圍。第十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日188.2.2典型D/A轉換器芯片及其與系統(tǒng)的連接內(nèi)部不包含數(shù)據(jù)輸入寄存器：AD7520、AD7521

不具備數(shù)據(jù)鎖存能力，不能直接與系統(tǒng)總線連接，與CPU連接時，要在其與CPU之間增加數(shù)據(jù)鎖存器。內(nèi)部包含數(shù)據(jù)輸入寄存器：DAC0832、AD77524

可直接與系統(tǒng)總線連接第十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日191.引線及內(nèi)部結構D0~D7：8位數(shù)據(jù)輸入端CS：片選信號，低電平有效；ILE：輸入寄存器選通命令，它與CS、WR1一起將要轉換的數(shù)據(jù)送入輸入寄存器；WRl：輸入寄存器的寫入控制；WR2：數(shù)據(jù)變換寄存器寫入控制；XFER：傳送控制信號，它與WR2

一起把輸入寄存器的數(shù)據(jù)裝入到數(shù)據(jù)變換寄存器；Iout1、Iout2：模擬電流輸出端Rfb：反饋電阻引出端，接運放輸出Vref：參考電壓輸出端第二十頁，共四十九頁，2022年，8月28日20DAC0832的內(nèi)部結構示意圖第二十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日212.工作方式及線路連接(1)單緩沖工作方式：是使輸入寄存器或DAC寄存器中的任意一個工作在直通狀態(tài)，而另一個工作在受控鎖存狀態(tài)。例如，使輸入寄存器受控，DAC寄存器自通，則可將WR2和XFER接數(shù)字地，ILE接十5V。將CS接端口地址譯碼器輸出，WR1接IOW信號，則當CPU向輸入寄存器的端口地址發(fā)出寫命令時，數(shù)據(jù)就寫入輸入寄存器，因為DAC直通，所以寫入到寄存器的數(shù)據(jù)立即進行數(shù)模轉換。第二十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日22完成D/A轉換的程序：MOVAL，DATAMOVDX，PORTOUTDX，ALHLT單緩沖工作方式第二十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日23（2）雙緩沖工作方式①將數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器；②將輸入寄存器的內(nèi)容寫入DAC寄存器。具體過程為：當ILE＝1，CS＝WR1＝0時，待轉換的數(shù)據(jù)被寫入輸入寄存器。隨后，WR1由低變高，數(shù)據(jù)出現(xiàn)在輸入寄存器的輸出端。在整個WRl為高電平期間，輸入寄存器的輸出端將不再隨其輸入端的變化而變化。從而保證了在數(shù)模轉換時數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變。鎖存在輸入寄存器中的數(shù)據(jù)此時并不能進入DAC寄存器，只有當XFEE＝WR2＝0時，數(shù)據(jù)才能寫入DAC寄存器，并同時啟動變換。第二十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日24雙緩沖方式程序段：MOVAL，DATAMOVDX，PORT1OUTDX，ALMOVDX，PORT2OUTDX，ALHLT雙緩沖方式下的電路連接第二十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日254.DAC0832的應用（1）信號源

DAC0832在單緩沖方式下可以直接與系統(tǒng)總線相連，即可以將它看作一個輸出端口。每向該端口送一個8位數(shù)據(jù)，其輸出端就會有相應的輸出電壓。通過編程，利用D/A轉換器產(chǎn)生各種不同的輸出波形。[例8-2]

根據(jù)電路，編寫一個輸出鋸齒波的程序，周期任意，DAC0832工作在單緩沖方式下，端口地址為0278H。第二十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日260832的端口地址：0278H第二十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日27分析：①正向鋸齒波：電壓從最小值開始逐漸上升，上升到最大值時立刻跳變?yōu)樽钚≈担绱送鶑?。②反向鋸齒波：電壓從最小值跳變?yōu)樽畲笾担缓笾饾u下降到最小值。③只要從0開始往0832輸出數(shù)據(jù)，每次加1，直到最大值FFH，然后再從0開始下一個周期，循環(huán)執(zhí)行，得到正向鋸齒波。④先用0減1直接得到最大值FFH，然后每次減1，得到反向鋸齒波。第二十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日28

MOVDX，0278HMOVAL，0NEXT：OUTDX，ALDECALJMPNEXT鋸齒波不是平滑的波形，有255個小臺階，通過加濾波電路可以得到較平滑的鋸齒波輸出，也可以通過軟件實現(xiàn)對輸出波形周期和幅度的調(diào)整。第二十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日29[例8-3]

已知0832輸出電壓范圍為0~5V，希望輸出電壓為1~4V，周期任意的正向鋸齒波。分析：輸出電壓5V時，輸入數(shù)字量為最大值255，

1V電壓對應的數(shù)字量=1×255/5=51=33H4V電壓對應的數(shù)字量=4×255/5=204=CDH程序段：

MOVDX，0278HNEXT1：MOXAL，33HNEXT2：OUTDX，ALINCALCALLDELAYCMPAL，0CDHJNANEXT2JMPNEXT1DELAY：MOVCX，100DELAY1：LOOPDELAY1RET說明：①子程序中設置不同的延時常數(shù)，可以實現(xiàn)輸出信號周期的調(diào)整②實現(xiàn)了波形幅度的調(diào)整第三十頁，共四十九頁，2022年，8月28日308.3模數(shù)A/D轉換器8.3.1A/D轉換器的工作原理及技術指標A/D轉換器的工作原理逐次反饋型A/D轉換器的結構數(shù)字量輸出第三十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日31例如：12位的A/D轉換器，輸入的模擬電壓為0~5V，輸出的對應值為0~FFFH，最低有效位對應的輸出電壓為5/(212-1)≈1.22mV。假設輸入模擬電壓為4.5V，轉換過程如下：位序號比較表達式二進制值

B114.5000-211*1.22=2V>01B102.0000-210*1.22=0.75V>01B90.7500-29*1.22=0.125V>01B80.1250-28*1.22<00B70.1250-27*1.22<00B60.1250-26*1.22=0.046V>01B50.0460-25*1.22=0.0069V>01B40.0069-24*1.22<00B30.0069-23*1.22<00B20.0069-22*1.22=0.0021V>01B10.0021-21*1.22<00B00.0021-20*1.22>014.5V模擬電壓第三十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日322.A/D轉換器主要技術指標1）精度

(1)量化誤差(分辨率)：A/D轉換器的量化誤差決定于A/D轉換器的轉換特性。

(2)非線性誤差：在整個變換量程范圍內(nèi)，數(shù)字量所對應的模擬輸入信號的實際值與理論值之間的最大差值。理論上A／D轉換曲線應該是一條直線，即模擬輸入與數(shù)字量輸出之間應該是線性關系。但實際它們兩者的關系并非呈線性。所謂非線性誤差就是由于二者關系的非線性而偏離理想直線的最大值，常用多少LSB來表示。

(3)其它誤差：電源波動引起的誤差、溫度漂移誤差、零點漂移誤差、參考電源誤差等。第三十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日33例如，一個2位的A/D轉換器，當模擬量的值在0~0.5V范圍變化時，數(shù)字量輸出為000B；在0.5v~1.5v范圍變化時，數(shù)字量輸出為001B。實際模擬量與理論模擬量之差最大為±0.5v。這種誤差是由轉換特性造成的，是一種無法消除的原理性誤差。數(shù)字量的每個變化間隔為1v，就是說模擬量在1v內(nèi)的變化，不會使數(shù)字量發(fā)生變化。這個間隔稱為量化間隔△第三十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日34△==輸入滿度電壓值A/D轉換器的最大數(shù)字量輸出Vmax2n-1例如：12位A/D轉換器，最大輸入模擬電壓為5V，

△=5/4095≈1.22mV量化誤差=×量化間隔△=A/D轉換器的位數(shù)確定，其量化誤差即確定12Vmax2（2n-1）第三十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日352）轉換時間：完成一次A/D轉換所需要的時間，即從發(fā)出啟動轉換命令信號到轉換結束信號有效之間的時間間隔。轉換時間的倒數(shù)稱為轉換速率(頻率)。3）輸入動態(tài)范圍（量程）：能夠轉換的模擬輸入電壓的變化范圍。單極性：0~+5V、0~+10V、0~+20V

雙極性：-5V~+5V、-10V~+10V第三十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日363.典型A/D轉換器芯片ADC0809ADC0809是逐位逼近型8位單片A／D轉換芯片。片內(nèi)含8路模擬開關，可允許8個模擬量輸入。片內(nèi)帶有三態(tài)輸出緩沖器，因此可直接與系統(tǒng)總線相連。它的轉換精度和轉換時間都不是很高，但其性能價格比有較明顯的優(yōu)勢，是目前應用較為廣泛的芯片之一。（1）ADC0809的引線D0~D7：輸出數(shù)據(jù)線IN0~IN7：8路模擬電壓輸入端ADDA、ADDB、ADDC：通道地址選擇用于選擇8路中的1路輸入，ADDA為最低位，ADDC為最高位。第三十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日37START：啟動信號輸入端ALE：通道地址鎖存信號EOC：轉換結束信號，EOC=0，正在轉換；EOC=1，轉換結束OE：讀允許信號，CLK：時鐘輸入端REF(+)REF(-)參考電壓輸入端VCC：電源電壓GND：地線第三十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日38（2）ADC0809的內(nèi)部結構第三十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日39ADC0809的內(nèi)部結構主要有3部分組成：模擬輸入選擇部分——包括一個8路模擬開關和地址鎖存與譯碼電路。輸入的三位通道地址信號由鎖存器鎖存，經(jīng)譯碼電路譯碼后控制模擬開關選擇相應的模擬輸入。地址編碼與輸入通道的關系：轉換器部分——包括比較器，8位D/A轉換器，逐位逼近寄存器以及控制邏輯電路等。輸出部分——包括一個8位三態(tài)輸出緩沖器。第四十頁，共四十九頁，2022年，8月28日40對應模擬通道ADDAADDBADDCIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111地址與輸入通道第四十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日41（3）ADC0809的工作過程外部時鐘信號通過CLK端進入其內(nèi)部控制邏輯電路，作為轉換時的時間基準。工作過程如下：①首先CPU發(fā)出3位通道地址信號ADDC、ADDB、ADDA；②在通道地址信號有效期間，使ALE引腳上產(chǎn)生脈沖上跳沿，將輸入的3位通道地址鎖存到內(nèi)部地址鎖存器；③接著給START引腳加上一個脈沖下降沿，啟動A/D變換；④變換開始后，EOC引腳呈現(xiàn)低電平，一旦變換結束，EOC又重新變?yōu)楦唠娖?；⑤CPU在檢測到EOC變高后，輸出一個正脈沖到OE端，將轉換結果取走。第四十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日42ADC0809工作時序第四十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日43（4）ADC0809與系統(tǒng)的連接方法①模擬信號輸入：模擬信號分別連接到1N0~IN7端。當前要轉換哪一路通過ADDC~ADDA的不同編碼來選擇。0809內(nèi)部有地址鎖存器，CPU通過輸出接口(74LS273、74LS373、8255)把通道地址編碼送到通道地址信號端。②D0~D7的連接：0809芯片的輸出端帶有三態(tài)緩沖器，可以直接連接到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上?？紤]到驅(qū)動及隔離的因素，通?？偸怯靡粋€輸入接口與系統(tǒng)連接。③啟動轉換信號的連接：0809采用脈沖啟動方式。通常將START和ALE連接在一起作為一個端口看待。ALE是上升沿有效，START是下降沿有效，可用一個正脈沖來完成通道地址鎖存和啟動轉換兩項工作。④狀態(tài)信號EOC端的連接：第四十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日44ADC0809與系統(tǒng)的連接圖1第四十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日45ADC0809與系統(tǒng)的連接圖2第四十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日46（5）ADC0809的應用——主要用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實現(xiàn)對8路模擬信號的循環(huán)數(shù)據(jù)采集。編寫8路模擬