6章1模拟量输入输出110822

微机原理与应用主讲教师：姜涛教学内容:第一章微型计算机基础第二章微型计算机指令系统第三章汇编语言程序设计第四章半导体存储器第五章数字量输入输出第六章模拟量输入输出微机原理与应用第1章、微型计算机基础1.3微型计算机系统的组成、分类和配置1.3.1微型计算机系统的组成4微型计算机系统的三个层次微处理器存储器I/O接口总线硬件系统软件系统微型计算机系统微型计算机(主机)外设ALU寄存器控制器键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪系统软件应用软件5微型计算机的概念结构存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线AB输出设备CPU数据总线DB控制总线CBI/O接口AB:AddressBusDB:DataBusCB:ControlBus8086/8088最大模式结构5.2系统总线及接口7一、操作码---部分8088常用指令指令类型助记符数据传送数据传送MOV，PUSH/POP，XCHG等地址传送LEA，LDS，LES输入输出IN，OUT算术运算加法ADD，ADC，INC减法SUB，SBB，DEC，NEG，CMP乘/除法MUL，IMUL，DIV，IDIV逻辑AND，OR，NOT，XOR，TEST移位SHL/SHR/SAR，ROL/ROR，RCL/RCR串操作MOVS，CMPS，SCAS，LODS，STOS控制转移JMP，JXX，LOOP，CALL/RET，INT/IRET8第6章模拟量输入输出9主要内容：6.1模拟量的输入与输出通道6.2D/A（数/模)转换器6.3A/D（模/数)转换器6.4多路转换器6.5采样保持器6.6数据采集系统(DAS)6.7采样定理习题106.1模拟量的输入与输出通道工业控制过程中的测量和控制量是模拟量：温度，压力等。116.1模拟量的输入与输出通道6.1.1模拟量输入通道的组成传感器（Transducer）非电量→电压、电流变送器（Transformer）转换成标准的电信号：0-10mA,4-20mA,0-5v,信号处理（SignalProcessing）放大、整形、滤波多路转换开关（Multiplexer）多选一采样保持电路（SampleHolder，S/H）保证变换时信号恒定不变A/D变换器（A/DConverter）模拟量转换为数字量126.1模拟量的输入与输出通道6.1.2模拟量输出通道的组成D/A变换器（D/AConverter）数字量转换为模拟量低通滤波平滑输出波形放大驱动提供足够的驱动电压，电流136.2D/A（数/模)转换器6.2.1D/A转换器的工作原理6.2.2D/A转换器的主要技术指标6.2.3典型的D/A转换器芯片6.2.4D/A转换器与微处理器的接口6.2数/模（D/A）变换器6.2.1D/A变换器的基本原理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基本结构如图：VrefRf模拟开关电阻网络VO数字量∑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：fOinRV=-VR式中：Rf为反馈电阻R为输入电阻VinRfVo∑RD/A变换原理若输入端有n个支路,则输出电压VO与输入电压Vi的关系为：n0fini=1i1V=-RVR式中：Ri为第i支路的输入电阻电阻网络就称为权电阻网络如下(图中n=8)：令每个支路的输入电阻为2iRf,并令Vin为一基准电压Vref，则有如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为nn0frefrefiii=1i=1f11V=-RV=-V2R2n0irefii=11V=-SV2若Si=1,该项对VO有贡献若Si=0,该项对VO无贡献如果用8位二进制代码来控制图中的S1～S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，那么根据二进制代码的不同，输出电压VO也不同，这就构成了8位的D/A转换器。可以看出，当代码在0～FFH之间变化时，VO相应地在0～-(255/256)Vref之间变化。为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络(见下页)，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。R-2R梯形电阻网络V0=-(D/256)*(Rf/R)*VrefD/A转换器输出的两种形式电流型D/A连接成电压输出方式D/A转换器双极性输出连接电路246.3.2D/A转换器的主要技术性能分辨率（Resolution）输入的二进制数每±1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。一般用输入数字量的位数来表示:如8位、10位例：一个满量程为5V的10位DAC，±1LSB的变化将使输出变化5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV转换精度（误差）绝对误差：实际输出值与理论值之间的最大偏差。一般用最小量化阶⊿来度量，如±1/2LSB相对误差：也可用满量程的百分比来度量，如0.05%FSRLSB:LeastSignificantBitFSR:FullScaleRange)转换时间---稳定时间从开始转换到与满量程值相差±1/2LSB所对应的模拟量所需要的时间tV1/2LSBtCVFULL0线性误差在满量程范围内，偏离理想转化特性的最大值。温度系数：温度每变化1度，增益、线性、零点等参数的变化。276.2D/A（数/模)转换器6.2.3典型的D/A转换器芯片转换方式：串行与并行工艺：双极性与MOS精度：8位，10位，12位输出形式：电压与电流6.2.3典型D/A转换器DAC0832特性：8位电流输出型D/A转换器T型电阻网络差动输出6.2.3典型D/A转换器DAC08321）引脚功能D7～D0：输入数据线ILE：输入锁存允许CS#：片选信号用于把数据写入到输入锁存器WR1#：写输入锁存器WR2#：写DAC寄存器XFER#：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器上述二个信号用于启动转换VREF：参考电压，-10V～+10V，一般为+5V或+10VIOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出AGND、DGND：模拟地和数字地2）工作方式单缓冲方式使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通。CPU只需一次写入即开始转换。控制比较简单。双缓冲方式（标准方式）转换要有两个步骤：将数据写入输入寄存器CS#=0、WR1#=0、ILE=1将输入寄存器的内容写入DAC寄存器WR2#=0、XFER#=0优点：数据接收与D/A转换可异步进行；可实现多个DAC同步转换输出——分时写入、同步转换直通方式使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终跟随输入变化。不能直接与数据总线连接，需外加并行接口(如74LS373、8255等)。6.2.3典型D/A转换器DAC1210-----12位DAC336.2D/A（数/模)转换器6.2.4D/A转换器与微处理器的接口1）8位D/A转换器与CPU的典型连接34双缓冲方式——同步转换举例译码器双缓冲方式的程序段示例本例中三个端口地址的用途：port1选择0832-1的输入寄存器port2选择0832-2的输入寄存器port3选择0832-1和0832-2的DAC寄存器MOVAL，data;要转换的数据送ALMOVDX，port1;0832-1的输入寄存器地址送DXOUTDX，AL;数据送0832-1的输入寄存器MOVDX，port2;0832-2输入寄存器地址送DXOUTDX，AL;数据送0832-2的输入寄存器MOVDX，port3;DAC寄存器端口地址送DXOUTDX，AL;数据送DAC寄存器，并启动同步转换HLT362）12位D/A转换器与CPU的典型连接3712位D/A转换器与CPU8088的典型连接DAC1210与8位微处理器的连接383）光隔离D/A转换器与CPU的典型连接光电隔离型8位6路D/A模板D/A转换器的应用函数发生器只要往D/A转换器写入按规律变化的数据，即可在输出端获得正弦波、三角波、锯齿波、方波、阶梯波、梯形波等函数波形。直流电机的转速控制用不同的数值产生不同的电压，控制电机的转速其他需要用电压/电流来进行控制的场合406.3A/D（模/数)转换器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。6.3.1A/D转换器工作原理6.3.2A/D转换器的主要技术性能6.3.3典型的A/D转换器芯片6.3.4A/D转换器与CPU的接口6.3.5V/F（电压/频率）转换器416.3A/D（模/数)转换器根据A/D转换原理和特点的不同，可把ADC分成两大类：直接ADC和间接ADC。直接ADC是将模拟电压直接转换成数字量，常用的有：逐次逼近式ADC、计数式ADC、并行转换式ADC等。间接ADC是将模拟电压先转换成中间量，如脉冲周期T、脉冲频率f、脉冲宽度τ等，再将中间量变成数字量。常见的有：单积分式ADC、双积分式ADC，V/F转换式ADC等。各种ADC的优缺点计数式ADC：最简单，但转换速度最慢。并行转换式ADC：速度最快，但成本最高。逐次逼近式ADC：转换速度和精度都比较高，且比较简单，价格低，所以在微型机应用系统中最常用。双积分式ADC：转换精度高，抗干扰能力强，但转换速度慢，一般应用在精度高而速度不高的场合，如测量仪表。V/F转换式ADC：在转换线性度、精度、抗干扰能力等方面有独特的优点，且接口简单、占用计算机资源少，缺点也是转换速度慢。在一些输出信号动态范围较大或传输距离较远的低速过程的模拟输入通道中应用较为广泛。436.3A/D（模/数)转换器6.3.1A/D转换器工作原理1）双积分型A/D的工作原理Vi=-Vref*Ti/To446.3A/D（模/数)转换器6.3.1A/D转换器工作原理1）逐次逼近式A/D的工作原理由D/A转换器、比较器和逐次逼近寄存器SAR组成456.3A/D（模/数)转换器6.3.2A/D转换器的主要技术性能精度量化间隔(分辨率)=Vmax/满量程值例：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)绝对量化误差=量化间隔/2=(满量程电压/(2n-1))/2相对量化误差=1/2*1/量化电平数目*100%例：满量程电压=10V，A/D变换器位数=10位，则绝对量化误差≈10/211=4.88mV相对量化误差≈1/211*100%=0.049%主要技术指标（续）温度范围：民用0-70度；军用-55-125度量程：0-5V，0-10V，0-20V-5-5V，-10-10V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。476.3A/D（模/数)转换器6.3.3典型的A/D转换器芯片1）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（可直接接到数据总线上）引脚功能引脚功能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ADC0809内部结构模拟输入+变换器+参考电源+输出缓冲器工作时序启动地址锁存ADDAADDCALE/STARTEOCOED0D7～～转换时间①②③④⑤ADC0809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，选择一个模拟输入端；②在通道地址信号有效期间，ALE上的上升沿使该地址锁存到内部地址锁存器；③