微機原理 第8章.ppt

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第8章 模擬量的輸入輸出本章內容模擬量輸入輸出通道的組成D/A轉換器原理及連接使用方法A/D轉換器原理及連接使用方法數據采集A/D、D/A接口設計要點 模擬量I/O接口的作用:實際工業生產環境——連續變化的模擬量 例如:電壓、電流、壓力、溫度、位移、流量 計算機內部——離散的數字量二進制數、十進制數工業生產過程的閉環控制 概述 模擬量D/A傳感器執行元件A/D數字量數字量模擬量模擬量輸入(數據采集)模擬量輸出(過程控制)計算機 8.1 模擬量I/O通道的組成模擬接口電路的任務模擬電路的任務0010110110101100工業生產過程傳感器放大濾波多路轉換&采樣保持A/D轉換放大驅動D/A轉換輸出接口微型計算機執行機構輸入接口物理量變換信號處理信號變換I/O接口輸入通道輸出通道模擬量輸入通道傳感器(Transducer)非電量→電壓、電流 變送器(Transformer)轉換成標準的電信號信號處理(Signal Processing)放大、整形、濾波 多路轉換開關(Multiplexer) 多選一采樣保持電路(Sample Holder,S/H)保證變換時信號恒定不變A/D變換器(A/D Converter)模擬量轉換為數字量 模擬量輸出通道D/A變換器(D/A Converter)數字量轉換為模擬量低通濾波平滑輸出波形放大驅動提供足夠的驅動電壓,電流8.2 數/模(D/A)變換器8.2.1 D/A變換器的基本原理及技術指標D/A變換器的基本工作原理組成:模擬開關、電阻網絡、運算放大器 兩種電阻網絡:權電阻網絡、R-2R梯形電阻網絡基本結構如圖:VrefRf 模擬開關電阻網絡VO數字量∑D/A變換原理 運放的放大倍數足夠大時,輸出電壓VO與輸入電壓Vin的關系為:式中:Rf 為反饋電阻 R 為輸入電阻 VinRf VO∑R 若輸入端有n個支路, 則輸出電壓VO與輸入電壓Vi的關系為:VinRf VO∑R1式中:Ri 為第i支路的輸 入電阻Rn…令每個支路的輸入電阻為2iRf , 并令Vin為一基準電壓Vref,則有如果每個支路由一個開關Si控制,Si=1表示Si合上,Si=0表示Si斷開,則上式變換為 若Si=1,該項對VO有貢獻若Si=0,該項對VO無貢獻2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8與上式相對應的電路如下(圖中n=8): 圖中的電阻網絡就稱為權電阻網絡如果用8位二進制代碼來控制圖中的S1~S8(Di=1時Si閉合;Di=0時Si斷開),那么根據二進制代碼的不同,輸出電壓VO也不同,這就構成了8位的D/A轉換器??梢钥闯?,當代碼在0~FFH之間變化時,VO相應地在0~-(255/256)Vref之間變化。為控制電阻網絡各支路電阻值的精度,實際的D/A轉換器采用R-2R梯形電阻網絡(見下頁),它只用兩種阻值的電阻(R和2R)。R-2R梯形電阻網絡D/A轉換器的主要技術指標分辨率(Resolution)輸入的二進制數每±1個最低有效位(LSB)使輸出變化的程度。一般用輸入數字量的位數來表示: 如8位、10位例:一個滿量程為5V的10位DAC,±1 LSB的變化將使輸出變化 5/(210-1)=5/1023=0.04888V=48.88mV轉換精度(誤差)實際輸出值與理論值之間的最大偏差。一般用最小量化階⊿來度量,如±1/2 LSB 也可用滿量程的百分比來度量,如0.05% FSR(LSB-Least Significant Bit, FSR-Full Scale Range) 轉換時間從開始轉換到與滿量程值相差±1/2 LSB所對應的模擬量所需要的時間tV1/2 LSBtCVFULL8.2.2 典型D/A轉換器DAC0832特性:8位電流輸出型D/A轉換器T型電阻網絡差動輸出引線圖見教材p331DAC0832內部結構引腳功能D7~D0:輸入數據線ILE:輸入鎖存允許CS#:片選信號WR1#:寫輸入鎖存器 上述三個信號用于把數據寫入到輸入鎖存器WR2#:寫DAC寄存器XFER#:允許輸入鎖存器的數據傳送到DAC寄存器 上述二個信號用于啟動轉換VREF:參考電壓,-10V~+10V,一般為+5V或+10VIOUT1、IOUT2:D/A轉換差動電流輸出,接運放的輸入Rfb:內部反饋電阻引腳,接運放輸出AGND、DGND:模擬地和數字地 工作時序D/A轉換可分為兩個階段:CS#=0、WR1#=0、ILE=1,使輸入數據鎖存到輸入寄存器;WR2#=0、XFER#=0,數據傳送到DAC寄存器,并開始轉換。寫輸入寄存器寫DAC寄存器工作方式單緩沖方式使輸入鎖存器或DAC寄存器二者之一處于直通。CPU只需一次寫入即開始轉換??刂票容^簡單。見教材p333圖。雙緩沖方式(標準方式)轉換要有兩個步驟:將數據寫入輸入寄存器CS#=0、WR1#=0、ILE=1將輸入寄存器的內容寫入DAC寄存器WR2#=0、XFER#=0 優點:數據接收與D/A轉換可異步進行; 可實現多個DAC同步轉換輸出——分時寫入、同步轉換直通方式使內部的兩個寄存器都處于直通狀態。模擬輸出始終跟隨輸入變化。不能直接與數據總線連接,需外加并行接口(如74LS373、8255等)。雙緩沖方式——同步轉換舉例A10-A0譯碼器0832-10832-2port1port2port3雙緩沖方式的程序段示例本例中三個端口地址的用途: port1 選擇0832-1的輸入寄存器 port2 選擇0832-2的輸入寄存器 port3 選擇0832-1和0832-2的DAC寄存器MOV AL,data ; 要轉換的數據送ALMOV DX,port1 ; 0832-1的輸入寄存器地址送DXOUT DX,AL ; 數據送0832-1的輸入寄存器MOV DX,port2 ; 0832-2輸入寄存器地址送DXOUT DX,AL ; 數據送0832-2的輸入寄存器MOV DX,port3 ; DAC寄存器端口地址送DXOUT DX,AL ; 數據送DAC寄存器,并啟動同步轉換HLTD/A轉換器的應用函數發生器——只要往D/A轉換器寫入按規律變化的數據,即可在輸出端獲得正弦波、三角波、鋸齒波、方波、階梯波、梯形波等函數波形。直流電機的轉速控制。 8.3 模/數(A/D)轉換器用途將連續變化的模擬信號轉換為數字信號,以便于計算機進行處理。常用于數據采集系統。類型計數型A/D變換器雙積分型A/D變換器逐位反饋型A/D變換器 8.3.1 工作原理及技術指標逐次逼近型A/D轉換器結構:由D/A轉換器、比較器和逐次逼近寄存器SAR組成。見教材。工作原理 類似天平稱重量時的嘗試法,逐步用砝碼的累積重量去逼近被稱物體。 例如:用8個砝碼20g,21g,…,27g,可以稱出1~255g之 間的物體?,F有一物體,用砝碼稱出其重量(假定重量為176g)。1)ADC從高到低逐次給SAR的每一位“置1”(即加上不同權重的砝碼),SAR相當于放法碼的稱盤;2)每次SAR中的數據經D/A轉換為電壓VC ;3)VC與輸入電壓Vi比較,若VC≤Vi,保持當前位的‘1’,否則當前位‘置0’;4)從高到低逐次比較下去,直到SAR的每一位都嘗試完;5)SAR內的數據就是與Vi相對應的2進制數。主要技術指標精度 量化間隔(分辨率) = Vmax/電平數(即滿量程值) 例:某8位ADC的滿量程電壓為5V,則其分辨率為 5V/255=19.6mV 量化誤差: 用數字(離散)量表示連續量時,由于數字量字長有限而無法精確地表示連續量所造成的誤差。(字長越長,精度越高)絕對量化誤差 = 量化間隔/2 = (滿量程電壓/(2n-1))/2 相對量化誤差 = 1/2 * 1/量化電平數目 * 100%例:滿量程電壓=10V,A/D變換器位數=10位,則 絕對量化誤差 ≈ 10/211 = 4.88mV 相對量化誤差 ≈ 1/211 *100% = 0.049%主要技術指標(續)轉換時間轉換一次需要的時間。精度越高(字長越長),轉換速度越慢。輸入動態范圍允許轉換的電壓的范圍。如0~5V、0~10V等。典型的A/D轉換器簡介ADC08098通道(8路)輸入8位字長 逐位逼近型轉換時間100μs 內置三態輸出緩沖器外部引腳見教材p359引腳功能 D7~D0:輸出數據線(三態)IN0~IN7:8通道(路)模擬輸入ADDA、ADDB、ADDC:通道地址(通道選擇)ALE:通道地址鎖存START:啟動轉換EOC:轉換結束,可用于查詢或作為中斷申請OE:輸出允許(打開輸出三態門)CLK:時鐘輸入(10KHz~1.2MHz)VREF(+)、VREF(-):基準參考電壓ADC0809內部結構START EOC CLK OED7D0VREF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比較器8路模擬開關逐位逼近寄存器SAR樹狀開關電阻網絡三態輸出鎖存器時序與控制地址鎖存及譯碼D/A8個模擬輸入通道8選1工作時序 ①②③④⑤ADC0809的工作過程根據時序圖,ADC0809的工作過程如下:①把通道地址送到ADDA~ADDC上,選擇模擬輸入; ②在通道地址信號有效期間,ALE上的上升沿該地址鎖存到內部地址鎖存器;③START引腳上的下降沿啟動A/D變換; ④變換開始后,EOC引腳呈現低電平, EOC重新變為高電平時表示轉換結束;⑤OE信號打開輸出鎖存器的三態門送出結果 。ADC0809與系統的連接 模擬輸入端INi單路輸入模擬信號可固定連接到任何一個輸入端地址線根據輸入線編號固定連接(高電平或低電平)多路輸入模擬信號按順序分別連接到輸入端要轉換哪一路輸入,就將其編號送到地址線上(動態選擇)單路輸入時ADDCADDBADDAIN4ADC0809輸入多路輸入時ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸入0輸入1輸入2輸入3輸入4CPU指定通道號+5V地址線ADDA-ADDC多路輸入時,地址線不能接死,而是要通過一個接口芯片與數據總線連接。接口芯片可以選用:鎖存器74LS273,74LS373等(要占用一個I/O地址)可編程并行接口8255(要占用四個I/O地址)CPU用一條OUT指令把通道地址通過接口芯片送給0809ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸入DB74LS273Q2Q1Q0CP來自I/O譯碼D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#來自I/O譯碼D0-D7A1A0A1A0 數據輸出線D0-D7內部已接有三態門,故可直接連到DB上也可另外通過一個輸入接口與DB相連上述兩種方法均需占用一個I/O地址D0-D7ADC0809DBOE來自I/O譯碼D0-D7ADC0809DBOE來自I/O譯碼直接連DB通過輸入接口連DB74LS244+5VDIDOE1#E2#地址鎖存ALE和啟動轉換START兩種連接方法:獨立連接:用兩個信號分別進行控制——需占用兩個I/O端口或兩個I/O線(用8255時);統一連接:用一個脈沖信號的上升沿進行地址鎖存,下降沿實現啟動轉換——只需占用一個I/O端口或一個I/O線(用8255時),參見教材p362圖。 ADC0809ALESTART獨立連接來自I/O譯碼1來自I/O譯碼2ADC0809ALESTART統一連接來自I/O譯碼 轉換結束EOC軟件延時等待(比如延時1ms)——不用EOC信號CPU效率最低軟件查詢EOC狀態EOC通過一個三態門連到數據總線的D0(其他也可以)三態門要占用一個I/O端口地址CPU效率低把EOC作為中斷申請信號,接到8259的IR端在中斷服務程序中讀入轉換結果,效率高D0IN0A15-A0IOR#IOW#D7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA譯碼器ADC0809一個連接實例ADC0809程序(以上圖為例)用延時等待的方法 …… MOV DX, start_port OUT DX, AL ;啟動轉換 CALL DELAY_1MS ;延時1ms MOV DX, oe_port IN AL, DX ;讀入結果 ……用查詢EOC狀態的方法 …… MOV DX, start_port OUT DX, AL ;啟動轉換LL: MOV DX, eoc_port IN AL, DX ;讀入EOC狀態 AND AL, 01H ;測試第0位(EOC狀態位) JZ LL ;為轉換完,則循環檢測 MOV DX, oe_port IN AL, DX ;讀入結果 ……
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