1、第第6章章 模擬量的輸入輸出模擬量的輸入輸出n本章內容本章內容n模擬量輸入輸出通道的組成模擬量輸入輸出通道的組成nD/A轉換器轉換器n原理及連接使用方法原理及連接使用方法nA/D轉換器轉換器n原理及連接使用方法原理及連接使用方法 n模擬量模擬量I/O接口的作用：接口的作用：n實際工業生產環境實際工業生產環境連續變化的模擬量連續變化的模擬量 n例如：電壓、電流、壓力、溫度、位移、流量例如：電壓、電流、壓力、溫度、位移、流量 n計算機內部計算機內部離散的數字量離散的數字量n二進制數、十進制數二進制數、十進制數n工業生產過程的閉環控制工業生產過程的閉環控制 概述概述 模擬量模擬量D/A傳感器傳感器執

2、行元件執行元件A/D數字量數字量數字量數字量模擬量模擬量模擬量輸入模擬量輸入(數據采集數據采集)模擬量輸出模擬量輸出(過程控制過程控制)計算機計算機 6.1 模擬量模擬量I/O通道的組成通道的組成傳傳感感器器放大放大濾波濾波多路轉換多路轉換&采樣保持采樣保持A/D轉換轉換放大放大驅動驅動D/A轉換轉換輸出輸出接口接口執行執行機構機構輸入輸入接口接口輸入通道輸入通道模擬接口電路的任務模擬接口電路的任務模擬電路的任務模擬電路的任務0010110110101100工工業業生生產產過過程程微微型型計計算算機機物理量物理量變換變換信號信號處理處理信號信號變換變換I/O接口接口輸出通道輸出通道6.

3、2 數數/模（模（D/A）變換器）變換器n6.2.1 D/A變換器的基本原理及技術指標變換器的基本原理及技術指標nD/A變換器的基本工作原理變換器的基本工作原理n組成：模擬開關、組成：模擬開關、電阻網絡電阻網絡、運算放大器、運算放大器 n兩種電阻網絡：權電阻網絡、兩種電阻網絡：權電阻網絡、R-2R T型電阻網絡型電阻網絡n基本結構如圖：基本結構如圖：VrefRf 模擬開關模擬開關電阻網絡電阻網絡VO數字量數字量2 R4 R8 R16 R32 R64 R128 R256 RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S81 權電阻網絡型權電阻網絡型D/A轉換器工作原理轉換器工作原理n圖中的電阻

4、網絡就稱為圖中的電阻網絡就稱為權電阻網絡權電阻網絡D7D0 如果每個支路由一個開關如果每個支路由一個開關Si控制，控制，Si=1表示表示Si合上，合上，Si=0表示表示Si斷開，則上式變換為斷開，則上式變換為 REFfVRRV0niiiREFfSVRRV102若若Si=1,該項對該項對VO有貢獻有貢獻若若Si=0,該項對該項對VO無貢獻無貢獻 對于對于8位的位的D/A轉換器轉換器 )222(2)222()222(20066770768717788810DDDVRRDDDVRRSSSVRRSVRRVRETfREFfREFfiiiREFf 2 T型電阻網絡型電阻網絡D/A轉換器轉換器O DN-1D

5、0)222(2)242(/870160708670DDDRRVRDRVDRVDRVIRVADfREFfREFREFREFf 轉換器位對于6.2.3 典型典型D/A轉換器轉換器一、8位D/A轉換器DAC0832n特性：特性：n8位電流輸出型位電流輸出型D/A轉換器轉換器nT型電阻網絡型電阻網絡n差動輸出差動輸出（一）（一）DAC0832內部結構內部結構引腳功能引腳功能nD7D0：輸入數據線nILE：輸入鎖存允許nCS：片選信號 用于把數據寫入到輸入鎖存器用于把數據寫入到輸入鎖存器nWR1：寫輸入鎖存器 nWR2：寫DAC寄存器nXFER：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

6、動轉換上述二個信號用于啟動轉換nVREF：參考電壓，-10V+10V，一般為+5V或+10VnIOUT1、IOUT2：D/A轉換差動電流輸出，接運放的輸入nRfb：內部反饋電阻引腳，接運放輸出nAGND、DGND：模擬地和數字地 nD/A轉換可分為兩個階段：轉換可分為兩個階段：nCS=0、WR1=0、ILE=1，使輸入數據鎖存，使輸入數據鎖存到輸入寄存器；到輸入寄存器；nWR2=0、XFER=0，數據傳送到，數據傳送到DAC寄存器，寄存器，并開始轉換。并開始轉換。（二）（二）DAC0832與系統的連接與系統的連接1. 雙緩沖方式（標準方式）雙緩沖方式（標準方式）轉換要有兩個步驟：轉換要有兩個步

7、驟： 將數據寫入輸入寄存器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將輸入寄存器的內容寫入DAC寄存器寄存器WR2=0、XFER=0 優點：優點： 可實現多個可實現多個DAC同步轉換輸同步轉換輸出出分時寫入分時寫入、同步轉換同步轉換2. 單緩沖方式單緩沖方式 使輸入鎖存使輸入鎖存器或器或DAC寄存器寄存器二者之一處于直二者之一處于直通通。CPU只需一只需一次寫入即開始轉次寫入即開始轉換。控制比較簡換?？刂票容^簡單。單。3. 直通方式直通方式使內部的兩個寄存器都處于直通狀態。模擬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。輸出始終跟隨輸入變化。D

8、AC0832數據線不能直接與數據總線連接，數據線不能直接與數據總線連接，需外加并行接口需外加并行接口(如如74LS373、8255等等)。（三）（三）DAC0832的輸出電路的輸出電路1. 單極性輸出電路單極性輸出電路2.雙極性輸出電路雙極性輸出電路（四）（四） 雙緩沖方式雙緩沖方式同步轉換舉例同步轉換舉例A10-A0譯碼器譯碼器0832-10832-2port1port2port3雙緩沖方式的程序段示例雙緩沖方式的程序段示例本例中三個端口地址的用途：本例中三個端口地址的用途：port1 選擇選擇0832-1的輸入寄存器的輸入寄存器 port2 選擇選擇0832-2的輸入寄存器的輸入寄存器 p

9、ort3 選擇選擇0832-1和和0832-2的的DAC寄存器寄存器MOV AL，X ; 要轉換的數據送要轉換的數據送ALMOV DX，port1 ; 0832-1的輸入寄存器地址送的輸入寄存器地址送DXOUT DX，AL ; 數據送數據送0832-1的輸入寄存器的輸入寄存器MOV AL，Y ; 要轉換的數據送要轉換的數據送ALMOV DX，port2 ; 0832-2輸入寄存器地址送輸入寄存器地址送DXOUT DX，AL ; 數據送數據送0832-2的輸入寄存器的輸入寄存器MOV DX，port3 ; DAC寄存器端口地址送寄存器端口地址送DXOUT DX，AL ; 數據送數據送DAC寄存器

10、，并啟動同步轉換寄存器，并啟動同步轉換HLTD/A轉換器的應用轉換器的應用n函數發生器函數發生器n只要往只要往D/A轉換器寫入按規律變化的數據，即可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、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。階梯波、梯形波等函數波形。n直流電機的轉速控制直流電機的轉速控制n用不同的數值產生不同的電壓，控制電機的轉速用不同的數值產生不同的電壓，控制電機的轉速n其他需要用電壓其他需要用電壓/電流來進行控制的場合電流來進行控制的場合 二、二、12位位D/A轉換器轉換器 DAC1208 DAC1208系列系列D/A轉換器

11、有轉換器有DAC1208、DAC1209、DAC1210三種芯片類型，是與微處理器完全兼容的三種芯片類型，是與微處理器完全兼容的12位位D/A轉轉換器。其功耗低，輸出電流穩定時間為換器。其功耗低，輸出電流穩定時間為1s，參考電壓范圍為，參考電壓范圍為-10V+10V，單工作電源范圍為，單工作電源范圍為+5V+15V，轉換精度較高，轉換精度較高，價格低廉，接口簡單，目前應用較為廣泛。價格低廉，接口簡單，目前應用較為廣泛。 由于由于DAC1208是是12位數據總線，對于位數據總線，對于8088CPU8位位數據總線，需分兩次從數據總線，需分兩次從CPU送出。送出。 所以，所以，DAC1208與與80

12、88CPU總線連接，只可連接成總線連接，只可連接成雙緩沖器方式。雙緩沖器方式。 數據的操作必須分為數據的操作必須分為3步進行，首先將高步進行，首先將高8位數據寫入位數據寫入8位輸入鎖存器，然后將低位輸入鎖存器，然后將低4位數據寫入位數據寫入4位輸入鎖存器，最位輸入鎖存器，最后將后將12位數據從輸入鎖存器中寫入位數據從輸入鎖存器中寫入12位位DAC寄存器，將寄存器，將12位轉換數據送往位轉換數據送往DAC1208接口電路進行接口電路進行D/A轉換。轉換。DAC1208與與CPU的接口地址為：的接口地址為：0202H ,0203H,0204HA9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A

13、01 0 0 - - - 0 0 1 0 8位寄存器位寄存器 1 0 0 - - - 0 0 1 1 4位寄存器位寄存器1 0 0 - - - 0 1 0 0 12位寄存器位寄存器 編程將編程將BX寄存器中低寄存器中低12位數據送位數據送DAC1208轉換成模擬量。轉換成模擬量。 MOV DX, 0202H MOV CL ,4 SHL BX ,CL MOV AL ,BH OUT DX ,AL MOV DX ,0203H MOV AL, BL OUT DX ,AL MOV DX ,0204H OUT DX ,AL HLT 6.3 模模/數（數（A/D）轉換器）轉換器n用途用途n將連續變化的模擬信

14、號轉換為數字信號，以便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。于計算機進行處理。n常用于數據采集系統或數字化聲音。常用于數據采集系統或數字化聲音。A/D轉換器的分類轉換器的分類n根據根據A/D轉換原理和特點的不同，可把轉換原理和特點的不同，可把ADC分成兩大類：分成兩大類：直接直接ADC和和間接間接ADC。n直接直接ADC是將模擬電壓直接轉換成數字量，常用是將模擬電壓直接轉換成數字量，常用的有：的有：n逐次逼近式逐次逼近式ADC、計數式、計數式ADC、并行轉換式、并行轉換式ADC等。等。n 間接間接ADC是將模擬電壓先轉換成中間量，如脈是將模擬電壓先轉換成中間量，如脈沖周期沖

15、周期T、脈沖頻率、脈沖頻率f、脈沖寬度、脈沖寬度等，再將中間等，再將中間量變成數字量。常見的有：量變成數字量。常見的有：n單積分式單積分式ADC、雙積分式、雙積分式ADC，V/F轉換式轉換式ADC等等。典型的典型的A/D轉換器簡介轉換器簡介nADC0809n8通道（通道（8路）輸入路）輸入n8位字長位字長 n逐位逼近型逐位逼近型n轉換時間轉換時間100s n內置三態輸出緩沖器（可直接接到數據總線上）內置三態輸出緩沖器（可直接接到數據總線上）引腳功能引腳功能 D7D0：輸出數據線（三態）：輸出數據線（三態）IN0IN7：8通道（路）模擬輸入通道（路）模擬輸入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址

16、（通道選擇）：通道地址（通道選擇）ALE：通道地址鎖存：通道地址鎖存START：啟動轉換：啟動轉換EOC：轉換結束，可用于查詢或作為中斷申請：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）：輸出允許（打開輸出三態門）CLK：時鐘輸入（：時鐘輸入（10KHz1.2MHz）VREF(+)、VREF(-)：基準參考電壓：基準參考電壓ADC0809內部結構內部結構START EOC CLK OED7D0VREF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比較器比較器8路模路模擬開擬開關關樹狀開關樹狀開關電阻網絡電阻網絡三態三態輸出輸出鎖存鎖存器器時序與控制時序與

17、控制地址地址鎖存鎖存及及譯碼譯碼D/A8個個模模擬擬輸輸入入通通道道8選選1逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器SAR工作時序工作時序 ADC0809的工作過程的工作過程n根據時序圖，根據時序圖，ADC0809的工作過程如下：的工作過程如下：把把通道地址送到通道地址送到ADDAADDC上，上，選擇選擇某一某一個模擬輸入量；個模擬輸入量； 在通道地址信號有效期間，在通道地址信號有效期間，ALE上的上的上升沿上升沿使使該地址鎖存到內部地址鎖存器；該地址鎖存到內部地址鎖存器；START引腳上的引腳上的下降沿下降沿啟動啟動A/D變換；變換； 變換開始后，變換開始后，EOC引腳呈現引腳呈現低電平低電平， EOC

18、重重新變為新變為高電平高電平時表示轉換結束；時表示轉換結束；OE信號打開輸出鎖存器的三態門送出結果信號打開輸出鎖存器的三態門送出結果 。 A/D轉換器與計算機總線的硬件接口有轉換器與計算機總線的硬件接口有3種方式：查詢種方式：查詢方式、延時方式和中斷方式。方式、延時方式和中斷方式。1.查詢方式：首先由查詢方式：首先由CPU向向A/D轉換器發出啟動脈沖，然后讀轉換器發出啟動脈沖，然后讀取轉換結束信號（如取轉換結束信號（如ADC0809的的EOC），根據轉換結束信），根據轉換結束信號的狀態，判斷號的狀態，判斷A/D轉換是否結束，如果結束，可以讀取轉換是否結束，如果結束，可以讀取A/D轉換結果，否則

19、繼續查詢，直至轉換結果，否則繼續查詢，直至A/D轉換結束。轉換結束。 這種方法這種方法,應為應為A/D設計三種接口：啟動命令口（輸出設計三種接口：啟動命令口（輸出口）、狀態口（輸入口）和數據口（輸入口）口）、狀態口（輸入口）和數據口（輸入口） 該方案程序設計比較簡單，且可靠性高，但實時性差。該方案程序設計比較簡單，且可靠性高，但實時性差。但由于大多數控制系統對于這點時間都是允許的，所以，這但由于大多數控制系統對于這點時間都是允許的，所以，這種方法用得最多。種方法用得最多。2. 延時方式：向延時方式：向A/D發出啟動脈沖后，先進行發出啟動脈沖后，先進行軟件延時，此延時時間取決于軟件延時，此延時時

20、間取決于A/D轉換器完轉換器完成成A/D轉換所需要的時間（如轉換所需要的時間（如ADC0809約約為為100s），經過延時后可讀取數據。），經過延時后可讀取數據。 采用延時方式時，轉換結束引腳懸空。采用延時方式時，轉換結束引腳懸空。在這種方式中，應為在這種方式中，應為A/D設計二個接口設計二個接口 ：啟：啟動命令口（輸出口）、數據口（輸入口）。動命令口（輸出口）、數據口（輸入口）。 為了確保轉換完成，必須把時間適當延為了確保轉換完成，必須把時間適當延長，因此，其速度比查詢方式還慢，故應用長，因此，其速度比查詢方式還慢，故應用較少。較少。3. 中斷方式：中斷方式：CPU啟動啟動A/D轉換后即可轉

21、而處理其轉換后即可轉而處理其他的程序，一旦他的程序，一旦A/D轉換結束，則由轉換結束，則由A/D轉換器發轉換器發出一轉換結束信號向出一轉換結束信號向CPU申請中斷，申請中斷，CPU響應中斷響應中斷后，便讀入數據。后，便讀入數據。 采用中斷方式時，轉換結束信號采用中斷方式時，轉換結束信號EOC通常與計通常與計算機的外部中斷引腳連接。算機的外部中斷引腳連接。 在中斷方式中，應為在中斷方式中，應為A/D設計二個端口：啟動設計二個端口：啟動命令口（輸出口）、數據口（輸入口）。命令口（輸出口）、數據口（輸入口）。 CPU與與A/D轉換器是并行工作的，因此，其轉換器是并行工作的，因此，其工作效率高。在多回路數據采集系統中一般采用中工作效率高。在多回路數據采集系統中一般采用中斷方式。斷方式。D0IN0A15-A0IORIOWD7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA譯譯碼碼器器ADC0809一個連接實例（用查詢方式）一個連接實例（用查詢方式）模擬信號輸入模擬信號輸入進行一次進行一次A/D轉換的程序轉換的程序(以上圖為例以上圖為例)n用查詢用查詢EOC