模拟量的输入输出.ppt
- 文档编号:18807789
- 上传时间:2023-11-25
- 格式:PPT
- 页数:52
- 大小:654KB
模拟量的输入输出.ppt
《模拟量的输入输出.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《模拟量的输入输出.ppt(52页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
1,第8章模拟量的输入输出,2,3,主要内容:
模拟量输入输出通道的组成D/A转换器的工作原理、连接及编程A/D转换器的工作原理、连接及编程,4,一、模拟量的输入输出通道,5,6,数字信号,模拟信号,现场信号1,现场信号2,现场信号n,放大器,放大器,放大器,多路开关,低通滤波,传感器,低通滤波,传感器,低通滤波,传感器,A/D转换器,采样保持器,数字信号,受控对象,控制信号,模拟信号,D/A转换器,放大驱动电路,I/0接口,放大器把传感器输出的信号放大到ADC所需的量程范围,多路开关把多个现场信号分时地接通到A/D转换器,低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰,以增加信噪比,采样保持器周期性地采样连续信号,并在A/D转换期间保持不变,传感器将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号(模拟电压或电流),I/0接口,多路开关,7,模拟量的输入通道,传感器(Transducer)非电量电压、电流变送器(Transformer)转换成标准的电信号信号处理(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,8,模拟量的输出通道,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,9,二、数/模(D/A)变换器,10,1.D/A转换器工作原理,典型的D/A转换器芯片通常由模拟开关、电阻网络以及缓冲电路组成。
D/A转换的基本原理是利用电阻网络,将N位二进制数逐位转换成模拟量并求和,从而实现将数字量转化为模拟量。
11,基本变换原理,运放的放大倍数足够大时,输出电压VO与输入电压Vref的关系为:
12,基本变换原理,若输入端有n个支路,则输出电压VO与输入电压Vref的关系为:
VO,n,0,i=1,i,1,V=-RV,R,f,ref,13,权电阻网络假定在制造D/A转换器时,使RFR,R12R,R24R,R38R,Rn2nR,2R4R8R16R32R64R128R256R,Vref,Rf,VO,S1S2S3S4S5S6S7S8,这里,上式中的n=8,14,基本变换原理,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,若Si=1,该项对VO有贡献;若Si=0,该项对VO无贡献,15,基本变换原理,如果用8位二进制代码来控制图中的S1S8(Di=1时Si闭合;Di=0时Si断开),则不同的二进制代码就对应不同输出电压VO;当代码在0FFH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,它只用两种阻值的电阻(R和2R)。
16,实际的D/A转换器R-2R梯形电阻网络,17,2.主要技术指标,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。
表示:
可用输入数字量的位数来表示,如8位、10位等;也可用一个LSB(LeastSignificantBit)使输出变化的程度来表示。
18,分辩率例,一个满量程为5V的10位D/A变换器,1LSB的变化将使输出变化:
5/(210-1)=5/1023=0.04888V=48.88mV,19,转换精度(误差),实际输出值与理论值之间的最大偏差影响转换精度的因素:
分辩率电源波动温度变化,20,转换时间,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,21,3.典型D/A转换器芯片DAC0832,特点:
8位电流输出型D/A转换器T型电阻网络差动输出,22,DAC0832的内部结构,23,DAC0832的引脚功能,DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位DAC转换器及转换控制电路构成,DAC转换器采用“T”型电阻网络D0D7:
8位数据输入端CS:
片选信号线,低电平有效ILE:
数据锁存允许信号,高电平有效WR1:
输入寄存器的写入控制,低电平有效WR2:
DAC寄存器写入控制,低电平有效XFER:
传送控制信号,低电平有效Iout1:
模拟电流输出端口1,当DAC寄存器全为1时,此电流最大,当DAC寄存器全为0时,此电流最小,24,DAC0832的引脚功能,Iout2:
模拟电流输出端口2,在数值上,Iout1Iout2常数RFB:
内部反馈电阻引出端,接运算放大器的输出端VREF:
基准电压输入端,可在10V10V之间VCC:
芯片的电源电压,可在5V或15V选择GND:
数字信号地AGND:
模拟信号地,25,DAC0832的工作方式,DAC0832内部有两个寄存器,即输入寄存器和DAC寄存器,能实现3种工作方式:
单缓冲方式、双缓冲方式和直通方式。
(1)单缓冲方式。
单缓冲工作方式是使输入寄存器或DAC寄存器中的任意一个工作在直通状态,另一个由CPU控制。
通常WR2和XFER连接数字地,使DAC寄存器的输出能够跟随输入,即第二级寄存器工作在直通状态,输入寄存器的控制端ILE接5V,CS接端口地址译码器输出,WR1连接系统总线的IOW信号,电路连接如图,26,当CPU向端口地址发出写命令时,要进行D/A转换的数据通过数据总线呈现在DAC0832的D7D0上,系统IO地址经译码电路产生片选信号,系统总线的IOW信号为低电平后,数据写入到输入寄存器中,因为DAC寄存器为直通状态,所以写入到输入寄存器的数据立刻进行D/A变换。
设需要转换的数据为DATA,DAC0832端口地址为PORT,工作在单缓冲方式下,完成D/A转换的程序段如下:
MOVAL,DATA;转换数据送ALMOVDX,PORT;端口地址送DXOUTDX,AL;将数字量送到D/A转换器进行转换,27,
(2)双缓冲方式,双缓冲工作方式是指输入寄存器和DAC寄存器分别受到控制,该方式电路连接如图所示。
在双缓冲方式下,CPU要对DAC0832进行两步写操作,即首先将数据写入输入寄存器,然后将输入寄存器的内容写入DAC寄存器。
设需要转换的数据为DATA,输入寄存器的端口地址为Y1,在双缓冲方式下,完成D/A转换的程序段如下:
MOVAL,DATA;将转换数据送ALMOVDX,Y1;输入寄存器端口地址Y1送DXOUTDX,AL;数据送入寄存器MOVDX,Y2;DAC寄存器端口地址Y2送DXOUTDX,AL;启动D/A转换,28,双缓冲模式下,CS和XFER分别接到两个端口的地址译码信号线,即0832占用两个端口地址双缓冲工作方式优点是数据接收和启动转换可以异步进行,可以在D/A转换的同时,接收下一个数据,提高了模/数转换的速率。
它还可以用于多个通道同时进行D/A转换的场合。
29,(3)直通方式,直通工作方式是指两个寄存器的有关控制信号都预先置为有效,两个寄存器都开通。
只要数字量送到数据输入端,就立即进入D/A转换器进行转换。
此时,CS、WR1、WR2、XFER引脚都直接连接数字地,ILE信号接高电平,这种方式一般应用较少。
30,D/A转换器的应用,应用举例:
利用D/A转换器来构造波形发生器,如图所示。
该电路由DAC0832、双运算放大器LM358和地址译码部件组成,将WR2、XFER信号接地,使DAC0832工作在单缓冲方式下。
由于DAC0832是电流输出型的D/A转换器,该电路需要电压输出,所以采用双极性输出方式。
31,设定地址译码输出端口为360H,该电路可输出3种波形,分别描述如下
(1)矩形波。
给DAC0832持续256次送数据0,然后256次送数据FFH,依次重复处理,DAC0832就可输出一个矩形波。
输出矩形波的程序段如下:
MOVDX,360H;设定地址译码输出端口DD0:
MOVCX,0FFHMOVAL,00DDl:
OUTDX,AL;向D/A转换器送数据0LOOPDDl;循环256次,形成矩形波的低电平MOVCX,0FFHMOVAL,0FFHDD2:
OUTDX,AL;向D/A转换器送数据FFHLOOPDD2;循环256次,形成矩形波的高电平JMPDD0;重复上述的过程,形成多个矩形波,32,
(2)梯形波。
给DAC0832持续256次送数据0,然后逐次加1直到255,然后持续256次,接着将255逐次减1,依次重复处理,DAC0832就可输出一个梯形波。
输出梯形波的程序段如下:
MOVDX,360H;设定地址译码输出端口MOVCX,0FFHMOVAL,00DDl:
OUTDX,AL;向D/A转换器送数据0LOOPDDl;循环256次,形成梯形波的下底MOVCX,0FFHDD2:
INCAL;循环加1,以形成上升沿OUTDX,ALLOOPDD2MOVCX,0FFHDD3:
OUTDX,AL;输出上底LOOPDD3MOVCX,0FFHDD4:
DECALOUTDX,AL;输出下降沿LOOPDD4JMPDDl;重复上述过程,形成多个梯形波,33,(3)三角波。
给DAC0832持续256次送数据0,然后逐次加1直到255,接着将255逐次减1到0,依次重复,DAC0832就可输出一个三角波。
输出三角波的程序段如下:
MOVDX,360H;设定地址译码输出端口DD0:
MOVCX,0FFHMOVAL,00DD1:
OUTDX,AL;向D/A转换器送数据0INCALLOOPDD1;循环形成上升斜坡MOVCX,0FFHDD2:
DECALOUTDX,ALLOOPDD2;循环形成下降斜坡JMPDD0;重复上述过程,形成多个三角波,34,三、A/D转换器,A/D转换器是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,是模拟系统与计算机之间的接口部件,常用于数据采集系统。
35,A/D转换器类型,计数型A/D转换器-速度慢、价格低,适用于慢速系统双积分型A/D转换器-分辩率高、抗干扰性好、转换速度慢,适用于中速系统逐次逼近式A/D转换器-转换精度高、速度快、抗干扰性差,36,A/D转换器的工作原理,逐位逼近式A/D转换器类似天平称重量时的尝试法,逐步用砝码的累积重量去逼近被称物体,37,A/D转换器的主要性能指标,1.分辨率反映了A/D转换器对输入微小信号变化的响应能力,即能够分辨的最小模拟量。
例如,对于8位A/D转换器,输入电压满刻度为5V时,则对应输入的模拟电压的分辨率为5V/25519.5mV。
2.转换精度反映了A/D转换器实际输出与理想输出的接近程度。
3.转换时间指完成一次A/D转换所需要的时间,38,典型A/D转换器芯片,ADC0809是8位、8通道、逐次逼近式A/D转换器,片内有8路模拟开关,可以同时连接8路模拟量,单极性,量程为05V。
片内有三态输出锁存器,可以直接与微机总线相连接。
该芯片有较高的性能价格比,适用于对精度和采样速度要求不高的场合或一般的工业控制领域。
由于其价格低廉,便于与微机连接,因而应用十分广泛。
39,ADC0809的内部结构,主要由8路模拟选通开关、8位A/D转换器、8位三态输出锁存器和地址锁存器等组成。
其中,地址选择信号(ADDCADDA)与8路模拟通道(IN7IN0)之间的对应关系见表8-1。
表8-1,40,ADC0809的内部结构图,41,ADC0809的引脚功能,IN7IN0:
8路模拟输入,可连接8路模拟量的输入ADDCADDA通道地址选择,用于选择8路模拟输入中的一路输入D7D0:
8位数据输出端ALE:
通道地址锁存信号,用来锁存ADDCADDA端的地址输入数据OE:
输出允许信号,三态输出锁存器将A/D转换结果输出START:
A/D转换启动信号EOC:
转换结束状态信号CLK:
时钟输入端VCC:
芯片的电源电压,5VVREF和VREF参考电压,要求电压相当稳定。
其中VREF典型值为5V,VREF-典型值为0V,42,ADC0809的转换过程,
(1)在ALE信号的作用下,地址引脚ADDCADDA上的信号被地址锁存器锁存并选择相应的模拟信号,随后被选择的模拟信号进入A/D转换器。
(2)在启动脉冲START的作用下,A/D转换器进行转换。
(3)转换完成后,EOC由低电平变为高电平,该信号可以作为状态信号由CPU查询,也可以作为中断请求信号通知CPU本次A/D转换已经完成。
(4)CPU通过执行读ADC0809数据端口指令,使OE有效,打开三态输出锁存器,使转换结果通过系统数据总线进入CPU。
43,典型A/D转换器的接口及应用,通常使用的A/D转换芯片一般都具有数据输出、启动转换、转换结束、时钟和参考电平等引脚。
ADC芯片与主机的连接主要就是处理这些引脚的连接问题。
(1)数据输出线的连接。
(2)A/D转换的启动信号。
(3)转换结束信号的处理方式。
当A/D转换结束,ADC输出一个转换结束信号,通知主机A/D转换已经结束,可以读取结果。
主机检查判断A/D转换是否结束的方法主要有中断方式、查询方式、延时方式和DMA方式。
(4)时钟的提供。
(5)参考电压的接法。
当模拟信号为单极性时,参考电压VREF-接地,VREF+接正极电源;当模拟信号为双极性时,VREF+和VREF-分别接电源的正、负极性端。
44,数据输出线D0-D7的连接,可直接连到DB上,或通过另外一个输入接口与DB相连;两种方法均需占用一个I/O地址,D0-D7,ADC0809,DB,OE,来自I/O译码,D0-D7,ADC0809,DB,OE,来自I/O译码,直接连DB,通过输入接口连DB,74LS244,+5V,DI,DO,E1#E2#,45,ALE和START端的连接,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;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。
ADC0809,ALESTART,独立连接,来自I/O译码1,来自I/O译码2,ADC0809,ALESTART,统一连接,来自I/O译码,46,主机判断A/D转换是否结束的方法,中断方式是把转换结束信号作为中断请求信号接到主机的中断请求线上。
当转换结束时向CPU申请中断,CPU响应中断后在中断服务程序中读取数据。
该方式下ADC与CPU同时工作,适用于实时性较强或参数较多的数据采集系统。
查询方式是把转换结束信号作为状态信号经三态缓冲器送到主机系统数据总线的某一位上。
主机在启动转换后开始查询是否转换结束,一旦查到结束信号便读取数据。
该方式的程序设计比较简单,实时性也较强,是比较常用的一种方法。
延时方式是不使用转换结束信号的,主机启动A/D转换后,延时一段略大于A/D转换的时间即可读取数据。
可以采用软件延时程序,此时无需硬件连线,但要占用主机大量时间,也可以用硬件完成延时。
该方式多用于主机处理任务较少的系统中。
DMA方式是把结束信号作为DMA请求信号,转换结束即启动DMA传送,通过DMA控制器直接将数据送入内存缓冲区。
该方式适合于要求高速采集大量数据的场合。
47,模拟输入端Ini,单路输入多路输入,多路输入时,ADDCADDBADDA,IN0IN1IN2IN3IN4,ADC0809,输入0输入1输入2输入3输入4,CPU指定通道号,48,通道地址线ADDA-ADDC的连接,多路输入时,地址线不能接死,要通过一个接口芯片与数据总线连接。
接口芯片可以选用:
简单接口芯片74LS273,74LS373等(占用一个I/O地址)可编程并行接口8255(占用四个I/O地址),ADDCADDBADDA,IN0IN1IN2IN3IN4,ADC0809,输入,DB,74LS273,Q2Q1Q0,CP,来自I/O译码,D0-D7,ADDCADDBADDA,IN0IN1IN2IN3IN4,ADC0809,DB,8255,PB2PB1PB0,CS#,来自I/O译码,D0-D7,A1A0,A1A0,49,
(1)ADC0809与CPU直接连接,占用3个I/O端口:
端口1用来向ADC0809输出模拟通道号并锁存;端口2用于启动转换;端口3读取转换后的数据结果。
采用软件延时,则转换程序段如下:
MOVAL,07HOUT1FH,ALCALLDELAY100INAL,1FH,50,ADC0809通过8255A与CPU连接,该系统可对8路模拟量分时进行数据采集。
转换结果采用查询方式传送,除了一个传送转换结果的输入端口外,还需要传送8个模拟量的选择信号和A/D转换的状态信息。
将8255A的A口输入方式设定为方式0输入,C口的PC0PC2输出用来选择8路模拟量的地址选通信号,PC3作为启动信号。
由于ADC0809需要脉冲启动,所以通过软件编程让PC3输出一个正脉冲,EOC信号接PC7。
51,设定8255A的A口、B口、C口及控制口地址分别为1CH、1DH、1EH和1FH,A/D转换结果的存储区的首地址设为40H,采样顺序从IN0到IN7。
译码器输出Y0选通8255A,以查询方式读取A/D转换后的结果,该程序段设计如下:
MOVDX,1FH;8255初始化MOVAL,98HOUTDX,ALMOVSI,40H;保存数据存储地址MOVCX,08HMOVBL,00H;模拟通道号存在BL中NEXT_IN:
MOVDX,1EH;C口地址MOVAL,BLOUTDX,AL,52,MOVDX,1FHMOVAL,00000111B;IPC3置1OUTDX,AL;送出开始启动信号NOP;延时NOPMOVAL,00000110B;PC3复位OUTDX,AL;送出结束启动信号MOVDX,1EH;DX指向C口NO_EOC:
INAL,DXTESTAL,80H;查PC7JZNO_EOC;IPC70,转换未结束,等待MOVDX,1CH;PC7=1,转换结束,DX指向A口INAL,DX;读人数据MOVSI,AL;存入数据缓冲区INCSIINCBL;指向下个通道LOOPNEXT_IN;尚未完成8路转换则循环,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 模拟 输入输出