Ch.8 模拟量的输入输出

本章内容模拟量输入输出通道的组成 D/A转换器

原理

A/D转换器

原理及连接使用方法

概述

模拟量I/O接口的作用：

实际工业生产环境——连续变化的模拟量

例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量

计算机内部——离散的数字量

二进制数、十进制数

工业生产过程的闭环控制模拟量

传感器

A/D

数字量

计算机

数字量

D/A

模拟量

执行元件

模拟量输入 (数据采集)

模拟量输出 (过程控制)

8.1 模拟量I/O通道的组成输入通道工 业 生 产 过 物理量 变换 传 感 器 放大 滤波 多路转换 & 采样保持

A/D 转换

输入 接口

10101100

微 型

计 信号 处理 信号 变换 I/O 接口算 机 00101101

输出通道执行 机构 放大 驱动 D/A 转换 输出 接口

程

模拟电路的任务

模拟接口电路的任务

8.2 数/模(D/A)变换器

8.2.1 D/A变换器的基本原理及技术指标

D/A变换器的基本工作原理

组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器 两种电阻网络：权电阻网络、R-2R梯形电阻网络 Rf 基本结构如图：模拟开关 电阻网络

数字量

∑

VO Vref

D/A变换原理

运放的放大倍数足够大时，输出电压VO与输 入电压Vin的关系为：

Rf VO = - Vin R式中：Rf 为反馈电阻 R 为输入电阻 R Vin∑

Rf

VO

R-2R梯形电阻网络Rf n-1 2 1 0

Vi

+

V0

2R Vref Vn-1 R…

2R R V2

2R R V1

2R 2R V0

8.3 模/数(A/D)转换器

用途

将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便 于计算机进行处理。常用于数据采集系统。 计数型A/D变换器 双积分型A/D变换器 逐次逼近型A/D变换器

类型

8.3.1 工作原理及技术指标

逐次逼近型A/D转换器的结构Vi

逐次变换 寄存器

…

D/A

比较器

…时序及控制逻辑 数字量输出

…

主要技术指标

精度

量化间隔(分辨率) = 满量程电压 A/D的最大数字量输出例：某8位ADC的满量程电压为5V,则其分辨率为 5V/255=19.6mV

量化误差: 用数字(离散)量表示连续量时， 由于数字量字长有限而无法精确地表示连续量 所造成的误差。(字长越长，精度越高)量化误差 = 量化间隔/2

主要技术指标(续)

转换时间转换一次需要的时间。精度越高(字长越 长),转换速度越慢。

输入动态范围允许转换的电压的范围。如0~5V、0~ 10V等。

典型的A/D转换器简介

ADC0809

8通道(8路)输入 8位字长 逐位逼近型 转换时间100μs 内置三态输出缓冲器

ADC0809内部结构START EOC CLK OE8 个 模 拟 输 入 通 道

IN7 8路模 拟开 8选1 关 IN0

时序与控制

逐位逼近寄存器 SAR

D7 三态 输出 锁存

器

比较器

ADDC ADDB ADDAALE

地址 锁存 及 译码

树状开关 D/A 电阻网络

D0

VREF(+)

VREF(-)

引脚功能D7~D0:输出数据线(三态) IN0~IN7:8通道(路)模拟输入 ADDA、ADDB、ADDC:通道地址(通道选择) ALE:通道地址锁存 START:启动转换 EOC:转换结束，可用于查询或作为中断申请 OE:输出允许(打开输出三态门) CLK:时钟输入(10KHz~1.2MHz) VREF(+)、VREF(-):基准参考电压

工作时序ADDA~

ADDC

①

ALE/START EOC

地址 ② 锁存

③

启动

④

OE D0~

转换时间

⑤

D7

ADC0809的工作过程

根据时序图，ADC0809的工作过程如下：①把通道地址送到ADDA~ADDC上，选择模拟 输入； ②在通道地址信号有效期间，ALE上的上升沿该 地址锁存到内部地址锁存器； ③START引脚上的下降沿启动A/D变换； ④变换开始后，EOC引脚呈现低电平， EOC重 新变为高电平时表示转换结束； ⑤OE信号打开输出锁存器的三态门送出结果 。

ADC0809与系统的连接

地址线ADDA-ADDC

多路输入时，地址线不能接死，而是要通过一个接口芯 片与数据总线连接。接口芯片可以选用：

锁存器74LS273,74LS373等(要占用一个I/O地址) 可编程并行接口8255(要占用四个I/O地址)

CPU用一条OUT指令把通道地址通过接口芯片送给 0809ADC0809 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 ADDC ADDB ADDA 输 入 8255 ADC0809 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 ADDC ADDB ADDA

DBA1 A0来自I/O 译码

D0-D7

74LS273

DB来自I/O 译码

D0-D7Q2 Q1 Q0

A1 A0 PB2 PB1 CS# PB0

CP

数据输出线D0-D7

内部已接有三态门，故可直接连到DB上 也可另外通过一个输入接口与DB相连ADC0809

74LS244

ADC0809 D0-D7

DB

D0-D7

DB来自I/O 译码

DO E1# E2#

DI

来自I/O 译码

OE

+5V

OE

直接连DB

通过输入接口连DB

地址锁存ALE和启动转换START

两种连接方法：

独立连接：用两个信号分别进行控制——需占用两个I/O端口 或两个I/O线(用8255时); 统一连接：用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁存，下降沿 实现启动转换——只需占用一个I/O端口或一个I/O线(用 8255时).ADC0809 ADC0809

来自I/O 译码1 来自I/O 译码2

ALE START 来自I/O 译码

ALE START

独立连接

统一连接

转换结束EOC

软件延时等待(比如延时1ms)——不用EOC信号

CPU效率最低

软件查询EOC状态

EOC通过一个三态门连到数据总线的D0(其他也可以) 三态门要占用一个I/O端口地址 CPU效率低在中断服务程序中读入转换结果，效率高

把EOC作为中断申请信号，接到8259的IRQ端

系统总线D0~D7 A0 A1 IOR IOW A15 A14 A13 A12 A11 A10 A7 A2 A9 A8 A6 A5 A4 A3 D0~D7 A0 A1 RD WR PA0~PA7 PC1 EOC D0~D7 IN0

PB0PB1 PB2

ADDAADDB ADDC

~

IN7

+&CS PB4 PB5

START ALEOE

8255 &

ADC0809

程序:循环采样MOV DX,8255CNTL MOV AL,91H OUT DX,AL ;均为方式0,A入,B出,C下半入 MOV BL,0 ;通道号,指向第0路 MOV CX,8 AGAIN: MOV AL,BL MOV DX,8255PB OUT DX,AL ; 送通道地址 OR AL,10H ;送ALE上升沿 OUT DX, AL