吉林大學遠程教育課件-微機原理及應(yīng)用第8章模擬量的輸入輸出

吉林大學遠程教育課件學時：64(第五十八講)微機原理及應(yīng)用主講人:趙宏偉第8章模擬量的輸入輸出8.1模擬量輸入輸出通道的組成

在測量和工業(yè)實時控制中，經(jīng)常要對一些現(xiàn)場物理量進行測量，或者將其采集下來進行處理。這些物理量可能是電信號，也可能是非電信號在數(shù)字計算機中，任何物理量都是以數(shù)字的形式表示和進行處理的，而電信號、非電信號一般都是模擬量信號，所以就需要將模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，這一轉(zhuǎn)換過程稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換，即A/D轉(zhuǎn)換另一方面，為滿足測控系統(tǒng)各執(zhí)行機構(gòu)對模擬量信號的要求，需要將計算機處理后的用于控制的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號，這一轉(zhuǎn)換過程稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換，即D/A轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換是微型機與外界聯(lián)系的重要橋梁，是微型機在測量、控制和各類智能儀器儀表中不可缺少的重要環(huán)節(jié)多回路模入、模出通道基本組成

8.1模入、模出通道結(jié)構(gòu)

8.1典型的工業(yè)過程控制系統(tǒng)組成

8.1吉林大學遠程教育課件學時：64(第五十九講)微機原理及應(yīng)用主講人:趙宏偉8.2數(shù)／模轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換原理

D/A轉(zhuǎn)換常用的方法是加權(quán)電阻網(wǎng)和T型電阻網(wǎng)法1.加權(quán)電阻網(wǎng)D/A轉(zhuǎn)換：加權(quán)電阻網(wǎng)D/A轉(zhuǎn)換就是用一個二進制數(shù)字的每一位代碼產(chǎn)生一個與其相應(yīng)權(quán)成正比的電壓（或電流），然后將這些電壓（或電流）疊加起來，就可得到該二進制數(shù)所對應(yīng)的模擬量電壓（或電流）信號2．T型電阻網(wǎng)D/A轉(zhuǎn)換：

T型電阻網(wǎng)D/A轉(zhuǎn)換的組成是（1）輸入數(shù)據(jù)控制的開關(guān)組（2）R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)（3）由運算放大器構(gòu)成的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路這種轉(zhuǎn)換方法與上述加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)法的主要區(qū)別在于電阻求和網(wǎng)絡(luò)的形式不同，它采用分流原理來實現(xiàn)對相應(yīng)數(shù)字位的轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖

8.2D/A轉(zhuǎn)換器原理框圖

8.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標

8.21．分辨率：當輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時，即LSB位產(chǎn)生一次變化時，所對應(yīng)輸出模擬量（電壓或電流）的變化量2．精度：分絕對精度和相對精度，表明D/A轉(zhuǎn)換的精確程度，用誤差大小表示（1）絕對精度：指的是在整個工作區(qū)間實際的模擬量輸出值與理論輸出值之差的最大值。它是由D/A轉(zhuǎn)換器的零點調(diào)整，增益誤差，噪聲和線性誤差，微分線性誤差等引起的。在手冊上常常單獨給出各種誤差以綜合說明絕對誤差（2）相對精度：相對精度與絕對精度相似，不同在于，相對精度把上述的最大偏差表示為滿量程輸出模擬量的百分數(shù)，或者用二進制位數(shù)的形式給出，例如：精度為±0.1%，含義是：最大誤差為FS的±0.1%，若FS=5V，則最大誤差為±5mV3．建立時間：描述D/A轉(zhuǎn)換速率快慢的一個重要參數(shù)，一般所指的建立時間是指輸入數(shù)字量變化后，輸出模擬量穩(wěn)定到相應(yīng)數(shù)值范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間4．環(huán)境及工作條件：一般情況下，影響D/A轉(zhuǎn)換精度的主要環(huán)境和工作條件因素是溫度和電源電壓變化。D/A轉(zhuǎn)換器的工作溫度按產(chǎn)品等級分為軍用級、工業(yè)級和商業(yè)級，各級的標準工作溫度分別如下：軍用級-55℃～+125℃工業(yè)級-25℃～+85℃商業(yè)級0℃～-70℃8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832

2.1目前，D/A轉(zhuǎn)換器已將精密電阻、模擬開關(guān)、數(shù)據(jù)鎖存器，甚至包括基準電源、運算放大器等集成在一個芯片上，可與8位或16位的微處理器直接連接D/A轉(zhuǎn)換器的分類方式也有多種，例如轉(zhuǎn)換方式有并行、串行之分，并行快，串行慢；按字長分，有8位、10位、12位……之分；按模擬開關(guān)工藝分有雙極型、JFET型、MOS型，它們的速率和精度不同；按結(jié)構(gòu)有帶數(shù)據(jù)鎖存器和不帶數(shù)據(jù)鎖存器之分；按輸出形式有電壓和電流之分，等等DAC0832是美國國家半導體公司推出的8位D/A轉(zhuǎn)換器。該芯片采用CMOS工藝，雙列直插式封裝，可直接與8080、8088、Z80等8位微處理器以及MCS-51系列單片機直接接口，是在8位D/A轉(zhuǎn)換器中使用率最高的一種芯片DAC0832主要特性：8位分辨率；電流型輸出；外接參考電壓：-10V～+10V；可采用雙緩沖、單緩沖或直接輸入三種工作方式；單電源：+5V～+15V；電流建立時間：1μs；低功耗：20mV；R-2RT型解碼網(wǎng)絡(luò)；線性誤差：0.2%FS（FS為滿量程）；非線性誤差：0.4%FS；增益溫度系數(shù)：0.002%FS/℃；數(shù)字輸入與TTL兼容DAC0832

——內(nèi)部結(jié)構(gòu)8.24個部分組成：一個8位輸入寄存器，一個8位DAC寄存器，一個8位D/A轉(zhuǎn)換器和一組控制邏輯DAC0832

單緩沖

方式

電路連接8.2DAC0832

雙緩沖

方式

電路連接8.2DAC0832

與

8088

系統(tǒng)總線

連接8.2吉林大學遠程教育課件學時：64(第六十講)微機原理及應(yīng)用主講人:趙宏偉DAC0832在直流電機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用8.2DAC0832波形輸出——方波

8.2

MOVDX，300HSTART：MOVAL，00HOUTDX，ALCALLDELAY1MOVAL，0FFHOUTDX，ALCALLDELAY2JMPSTARTDAC0832波形輸出——鋸齒波

8.2

MOVDX，300HMOVAL，00HOUTDX，ALX1：INCALOUTDX，ALCALLDELAYJMPX1DAC0832波形輸出——三角波

8.2MOVDX，300HR0：MOVCX，0FFHMOVAL，00HR1：OUTDX，ALINCALLOOPR1MOVCX，0FFHR2：DECALOUTDX，ALLOOPR2JMPR0DAC0832波形輸出——梯形波

8.2MOVDX，300HMOVCX，0FFHMOVAL，00HT1：OUTDX，ALLOOPT1MOVCX，0FFHT2：INCALOUTDX，ALLOOPT2MOVCX，0FFHT3：OUTDX，ALLOOPT3MOVCX，0FFHT4：DECALOUTDX，ALLOOPT4JMPT1DAC0832應(yīng)用

8.2將從2000H開始的50個字節(jié)單元數(shù)據(jù)依次送到DAC0832輸出，每個數(shù)據(jù)輸出間隔時間為1ms，可調(diào)用D1ms延時1ms子程序START：MOVSI，2000HMOVCX，50X1：MOVAL，[SI]INCSIOUT80H，ALCALLD1msLOOPX1HLT8位CPU與超過8位的DAC接口（1）

8.2一個12位的D/A轉(zhuǎn)換器與8位CPU接口時，需把數(shù)據(jù)寬度分為兩段，即用兩個數(shù)據(jù)鎖存器分別鎖存低8位和高4位數(shù)據(jù)，計算機向D/A轉(zhuǎn)換器送數(shù)據(jù)時分為二次操作，即先把低8位送給低8位鎖存器，緊接著把高4位送到高4位鎖存器這種方法實際上存在問題：它會在模擬電壓輸出中出現(xiàn)本來沒有“毛刺”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象主要是由于兩個鎖存器的值不同時改變而造成的設(shè)前一個送入鎖存器的數(shù)據(jù)為：D1=000011111111DAC（D/A轉(zhuǎn)換器）輸出電壓為V1。下一個送入鎖存器的數(shù)據(jù)為：D2=000100000000對應(yīng)D2的電壓輸出為V2。顯然，由于D2＞D1，而使V2＞V1，但當把D2的低8位送入低8位鎖存器后，高4位送入高4位鎖存器之前，DAC的數(shù)據(jù)鎖存器出現(xiàn)了一個中間數(shù)據(jù)，即000000000000，DAC輸出的模擬電壓在這瞬間也會輸出一個“0”電壓。在高4位數(shù)據(jù)輸出之后，DAC的數(shù)據(jù)變?yōu)?00100000000，模擬電壓變?yōu)檎５腣2。這樣，輸出的模擬電壓中出現(xiàn)了一個“毛刺”8位CPU與超過8位的DAC接口（2）

8.2為了解決毛刺問題，可采用雙緩沖結(jié)構(gòu)，也即二重鎖存，如圖所示，使加到DAC上的數(shù)據(jù)同時改變CPU先把低8位鎖存在鎖存器1中，然后再把高4位鎖存在鎖存器2中，最后選中鎖存器3和鎖存器4，使剛才鎖存的12位數(shù)據(jù)同時傳送，對于DAC來說，高字節(jié)和低字節(jié)的數(shù)據(jù)是同時送到DAC的輸入端，因此不會產(chǎn)生“毛刺”吉林大學遠程教育課件學時：64(第六十一講)微機原理及應(yīng)用主講人:趙宏偉8.3模／數(shù)轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換的基本過程模擬量是時間上和幅值上都連續(xù)的一種信號，模擬量經(jīng)過采樣后得到的信號是時間上離散，幅值上連續(xù)的信號，即離散信號，這一過程就是采樣過程計算機對這種離散信號還不能處理，計算機只能處理數(shù)字量，所以還必須把離散信號在幅值上也進一步離散化，這一過程就是量化過程量化后的信號是時間上和幅值上都離散的數(shù)字量，可以直接送到計算機中進行處理采樣：將模擬量變換為離散量，一般包括采樣與保持兩個步驟量化：將離散量變換成數(shù)字量，一般包括量化與編碼兩個步驟采樣與量化是A/D轉(zhuǎn)換的基本過程吉林大學遠程教育課件學時：64(第六十二講)微機原理及應(yīng)用主講人:趙宏偉A/D轉(zhuǎn)換的基本過程——采樣8.3采樣的過程一般是：先使用一個采集電路，按等距離時間間隔，對模擬信號進行采樣，然后用保持電路將采集來的信號電平保持一段時間，以便模數(shù)轉(zhuǎn)換器正確地將其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量采樣定理：對一個有限頻率譜(ω<+ωmax)的連續(xù)信號進行采樣，當采樣頻率f≥2fmax時(fmax是輸入模擬信號的最高頻率)，則采樣輸出信號能無失真地恢復到原來的連續(xù)信號。A/D轉(zhuǎn)換的基本過程——量化

8.3量化過程：把離散信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的過程量化就是把輸入模擬信號f(t)的變化范圍劃分成若干層，每一層都由一個數(shù)字來代表，采樣值落到哪一層，就由哪一層的數(shù)字來代表。這樣，所有的采樣值經(jīng)過“量化”后，就化為了對應(yīng)的數(shù)字量，成為了整數(shù)值舍入誤差是量化過程中的固有誤差，最大偏差等于量化單位的一半。這種誤差不可能消除，只能降低，當量化單位取得愈小時，誤差愈小A/D轉(zhuǎn)換原理8.3A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號A/D轉(zhuǎn)換的方法較多，有計數(shù)式、逐次逼近式、雙積分式以及并行式轉(zhuǎn)換等計數(shù)式最簡單，但轉(zhuǎn)換速度很低；并行轉(zhuǎn)換速率最快，但需要的器件多，價格高；逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的速度較高，比較簡單，而且價格適中；雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器精度高，抗干擾能力強，但速度低，一般應(yīng)用在要求精度高而速度不高的場合，例如儀器儀表等計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換器計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理是：被測電壓和一個均勻增長的斜坡電壓不斷地作比較，直到二者相等時，比較過程結(jié)束，并輸出一個代表被測電壓值的二進制數(shù)值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換原理——逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器

8.3工作原理：將被測電壓和由D/A轉(zhuǎn)換生成的電壓進行比較，但這里D/A轉(zhuǎn)換生成的電壓不是線性增長去接近被測電壓，而是用對分搜索的方法來逐次逼近被測電壓電路內(nèi)部由4個部分組成：逐次逼近寄存器SAR、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器和控制邏輯電路A/D轉(zhuǎn)換原理——雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

8.3工作原理：將一段時間內(nèi)的模擬電壓通過兩次積分，轉(zhuǎn)換成與模擬電壓成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此段時間間隔，所得到的計數(shù)結(jié)果就是輸入電壓對應(yīng)的數(shù)字值組成：由積分器、過零比較器、計數(shù)器和控制電路組成A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標

8.3（1）分辨率：輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量，亦即芯片最低有效位(LSB)相當?shù)哪M電壓值（2）精度：A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量所對應(yīng)的實際輸入電壓值與理論上產(chǎn)生該數(shù)字量應(yīng)有的輸入電壓之差，它反映實際A/D轉(zhuǎn)換器與理想A/D轉(zhuǎn)換器的差別，常用誤差表示。精度分為絕對精度和相對精度（3）轉(zhuǎn)換時間：轉(zhuǎn)換時間是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間，即從啟動A/D轉(zhuǎn)換器開始工作到轉(zhuǎn)換結(jié)束所經(jīng)歷的時間間隔。轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。例如ADC0809的轉(zhuǎn)換時間為100μs，則轉(zhuǎn)換速率為每秒1萬次A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)轉(zhuǎn)換時間可分為幾檔：低速ADC轉(zhuǎn)換時間＞1ms

中速ADC轉(zhuǎn)換時間＞1ms～1μs

高速ADC轉(zhuǎn)換時間＞1ns～1μs

超高速ADC轉(zhuǎn)換時間＜1ns吉林大學遠程教育課件學時：64(第六十三講)微機原理及應(yīng)用主講人:趙宏偉8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

8.3ADC0809是美國NS公司生產(chǎn)的CMOS組件，8路輸入單片A/D轉(zhuǎn)換器，可直接與CPU總線連接，使用非常廣泛ADC0809主要特性:8位分辨率；電壓輸入：0～+5V；轉(zhuǎn)換時間：100μs（640KHz條件）；時鐘頻率：100KHz～1280KHz，標準時鐘為640KHz；無漏碼；單一電源：+5V；8路單端模擬量輸入通道；參考電壓：+5V；總的不可調(diào)誤差：土1LSB；不需進行零點調(diào)整和滿量程調(diào)整；可鎖存的三態(tài)輸出

ADC0809——內(nèi)部結(jié)構(gòu)

8.3ADC0809——工作時序

8.3ADC0809——極性轉(zhuǎn)換電路

8.3ADC0809的模擬量輸入是單極性的，范圍為0～+5V，若實際模擬輸入信號是雙極性的，比如為-5V～+5V，則需要設(shè)計極性轉(zhuǎn)換電路常用的極性轉(zhuǎn)換電路如圖所示，若信號源的內(nèi)阻小，可采用圖（a）電路，若信號源的內(nèi)阻大，可采用圖（b）電路

ADC0809與CPU的接口方法8.3A/D轉(zhuǎn)換器與CPU的數(shù)據(jù)傳送控制方式通常有3種：①等待方式②查詢方式③中斷方式ADC0809與CPU接口——等待方式

8.3等待方式:又稱無條件傳送方式，向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動指令后，進行軟件延時（等待），延時時間取決于A/D轉(zhuǎn)換器完成A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間,經(jīng)過延時后讀入A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在這種方式中，有時為了確保轉(zhuǎn)換完成，不得不把延時時間適當延長，因此，比查詢方式轉(zhuǎn)換速度慢，但對硬件接口要求較低,節(jié)約系統(tǒng)成本，減小硬件設(shè)計量，提高系統(tǒng)可靠性；設(shè)置通道號0MOVAL,00H；啟動0通道進行A/D轉(zhuǎn)換OUT84H,AL；延時100μm，等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束CALLDELAY100；轉(zhuǎn)換結(jié)束，讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果INAL,84HADC0809與CPU接口——查詢方式（1）

8.3程序查詢方式：先選通模擬量輸入通道，發(fā)出啟動A/D轉(zhuǎn)換的信號，然后用程序查看EOC狀態(tài)，若EOC=1，則表示A/D轉(zhuǎn)換已結(jié)束，可以讀入數(shù)據(jù)；若EOC=0，則說明A/D轉(zhuǎn)換器正在轉(zhuǎn)換過程中，應(yīng)繼續(xù)查詢，直到EOC=1為止。

ADC0809與CPU接口

——查詢方式（2）

8.3例ADC0809與微處理器之間的查詢方式連接如上頁圖，利用該接口電路，采用查詢方式，對現(xiàn)場8路模擬量輸入信號循環(huán)采集一次，其數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，程序設(shè)計如下：DATASEGMENTCOUNTDB00H；采樣次數(shù)NUMBERDB00H；通道號ADCBUFDB8DUP(?)；采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)DATAENDSADCCEQU84H；A/D控制口地址ADCSEQU88H；A/D狀態(tài)口地址CODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATASTART:MOVAX,DATAMOVDS,AXMOVBX,OFFSETADCBUF；設(shè)置A/D緩沖區(qū)MOVCL,COUNT；設(shè)置采樣次數(shù)設(shè)置通道號X3:MOVAL,DLOUTADDC,AL；啟動MOVDL,NUMBER；ADC0809相應(yīng)通道X1:INAL,ADCS；讀取狀態(tài)口TESTAL,80H；析取EOCJNZX1；EOC≠0，ADC0809未開始轉(zhuǎn)換，等待X2:INAL,ADCS

TESTAL,80H

JZX2；EOC≠1，ADC0809未轉(zhuǎn)換完成，等待

INAL,ADCC；讀數(shù)據(jù)

MOV[BX]