第13章模拟输入输出技术课件.ppt

1、模拟量与数字量n模拟量模拟量连续变化的物理量连续变化的物理量n数字量数字量时间和数值上都离散的量时间和数值上都离散的量模拟模拟/数字转换器数字转换器ADCDAC数字数字/模拟转换器模拟转换器13.1 模拟输入输出系统传感器传感器将各种现场的物理量测量出来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）并转换成电信号（模拟电压或电流）放大器放大器把传感器输出的信号放大到把传感器输出的信号放大到ADC所需所需的量程范围的量程范围低通滤波器低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比以增加信噪比 微型计算机 D/A 转换 A/D 转换 功率放大 执行机构

2、工业过程 信号调理 传感器 过程参数 13.2 数模（D/A）转换器将数字信号转换为模拟信号的器件称为数模转换器或将数字信号转换为模拟信号的器件称为数模转换器或D/A转换器（转换器（Digital to Analog Converter），简称），简称DAC。D是输入是输入n位的数字量，位的数字量，Vo是输出的模拟量，是输出的模拟量，VREF是参考电压（又称基准电是参考电压（又称基准电压），它通常是一个恒定的模拟量。三者之间满足以下的关系：压），它通常是一个恒定的模拟量。三者之间满足以下的关系：Vo=KDVREF（13.1）式中，式中，K是常数，不同类型的是常数，不同类型的D/A转换器对应各自

3、的转换器对应各自的K值。假设值。假设D=Dn-12n-1+Dn-22n-2+D020=（13.2）将式（将式（13.2）代入式（）代入式（13.1），得），得Vo=KVREF（13.3）说明了说明了D/A转换器的输入数字量和输出模拟量之间满足正比关系。转换器的输入数字量和输出模拟量之间满足正比关系。102Dniii102Dniii13.2.1 D/A转换原理常用的常用的D/A转换器可分为转换器可分为n权电阻网络权电阻网络DAC、nT型电阻网络型电阻网络DAC、n倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC和电流激励型和电流激励型DAC等。等。二倒T型电阻网络式D/A转换器304REFFo2D2VViiiR

4、IiiiRRIIIII2D2V)2D2D2D2D(2VDDDD304REF001122334REF001122331-0REFo2D2VVniiin13.2.2 D/A主要性能指标主要性能指标1 DAC分辨率分辨率DAC分辨率是指最小输出电压分辨率是指最小输出电压VLSB和满量程输出电压和满量程输出电压VFSR之比。之比。n位二位二进制进制D/A转换器的分辨率一般用转换器的分辨率一般用2-n来表示。来表示。2 DAC转换精度转换精度DAC转换精度是指实际转换得到的输出值与理论值之间的误差程度，可分转换精度是指实际转换得到的输出值与理论值之间的误差程度，可分为绝对精度和相对精度两种衡量标准。为绝

5、对精度和相对精度两种衡量标准。绝对精度是指每个输出值接近理论值的程度。绝对精度是指每个输出值接近理论值的程度。相对精度一般用绝对精度相对于满度量程输出的百分比表示。相对精度一般用绝对精度相对于满度量程输出的百分比表示。3DAC建立时间建立时间建立时间是指建立时间是指DAC输出电压到达规定范围（终值的输出电压到达规定范围（终值的1/2最低有效位）时所最低有效位）时所需要的时间。需要的时间。建立时间越短越好建立时间越短越好。121VVnFSRLSBDAC芯片nDAC0832是典型的是典型的8位电流输出型位电流输出型典型典型1.DAC0832的数字接口n8位数字输入端位数字输入端nDI0DI7（DI

6、0为最低位）为最低位）n输入寄存器（第输入寄存器（第1级锁存）的控制端级锁存）的控制端nILE、CS*、WR1*nDAC寄存器（第寄存器（第2级锁存）的控制端级锁存）的控制端nXFER*、WR2*直通锁存器的工作方式两级缓冲寄存器都是直通锁存器两级缓冲寄存器都是直通锁存器nLE1，直通（输出等于输入），直通（输出等于输入）nLE0，锁存（输出保持不变），锁存（输出保持不变）LE2LE1DAC0832输入输入锁锁存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC锁锁存存器器Iout1DAC0832的工作方式：直通方式nLE1LE21n输入的数字数据直接进入输入的数字数据直接进入D/A转换器转换器LE2

7、LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：单缓冲方式nLE11，或者，或者LE21n两个寄存器之一始终处于直通状态两个寄存器之一始终处于直通状态n另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：双缓冲方式n两个寄存器都处于受控（缓冲）状态两个寄存器都处于受控（缓冲）状态n能够对一个数据进行能够对一个数据进行D/A转换的同时；输入转换的同时；输入另一个数据另一个数

8、据LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout12.DAC0832的模拟输出nIout1、Iout2电流输出端电流输出端nRfb反馈电阻引出端（电阻在芯片内）反馈电阻引出端（电阻在芯片内）nVREF参考电压输入端参考电压输入端n10V10VnAGND模拟信号地模拟信号地nVCC电源电压输入端电源电压输入端n5V15VnDGND数字信号地数字信号地3.地线的连接模拟电路电源数字电路电源模拟电路A/DD/A数字电路模拟地数字地一点相接AGNDDGND三、DAC0832的模拟输出方式（1）单极性输出）单极性输出数字量经过数字量经过DAC083

9、2转换之后直接得到的输出信号是模拟电流转换之后直接得到的输出信号是模拟电流IOUT1和和IOUT2，若要得到电压输出，应加一级运算放大器，此时是单极性的电，若要得到电压输出，应加一级运算放大器，此时是单极性的电压输出，即输出电压为压输出，即输出电压为0-5V（VREF接接+5V）或）或0-10V（VREF接接10V），若要形成正电压输出，则），若要形成正电压输出，则VREF需接负电压。需接负电压。REFnOUT1V2DV（2）双极性输出）双极性输出若要进一步得到双极性的电压输出，即输出电压为若要进一步得到双极性的电压输出，即输出电压为-VREF+VREF，还应，还应引入电压偏移电路。引入电压偏

10、移电路。REF1-n1-nOUT2V22-DV13.2.4 D/A转换接口技术n数字量经过数字量经过CPU处理之后，需由处理之后，需由D/A转换器完成数字量到模拟量的转换。转换器完成数字量到模拟量的转换。由于集成由于集成DAC内部结构的不同，有的内部结构的不同，有的DAC内部带有锁存器，有的则不带内部带有锁存器，有的则不带有锁存器。如果有锁存器，连接有锁存器。如果有锁存器，连接CPU与转换器相对比较简单，而如果没与转换器相对比较简单，而如果没有锁存器，则应选择适当的外部锁存器，如有锁存器，则应选择适当的外部锁存器，如74LS373，74LS273等然等然后再与系统总线相连。后再与系统总线相连。

11、一、有输入锁存器一、有输入锁存器D/A与与PC机的连接机的连接这类这类D/A器件可以直接和器件可以直接和PC机的数据总线连接，如机的数据总线连接，如DAC0832芯片内部自芯片内部自带有两级锁存器，而这里采用单缓冲方式，即第一级输入锁存器锁存，带有两级锁存器，而这里采用单缓冲方式，即第一级输入锁存器锁存，第二级第二级D/A锁存器直通。由外部控制信号直接控制输入锁存器的锁存。锁存器直通。由外部控制信号直接控制输入锁存器的锁存。片选信号由地址译码后产生。片选信号由地址译码后产生。【例例13.1】假设假设DAC0832工作在单缓冲方式下，单极性输出，工作在单缓冲方式下，单极性输出，端口地址为端口地址

12、为350H，VREF=-5V，现利用该转换器进行数字量，现利用该转换器进行数字量到模拟量的转换，产生一个如图所示的三角波。到模拟量的转换，产生一个如图所示的三角波。首先确定上、下限所对应的数字量首先确定上、下限所对应的数字量。根据计算可得输出电压的上、下限所对应的数字量分别为：根据计算可得输出电压的上、下限所对应的数字量分别为：上限：上限：Dup=328/5=153.6=99H下限：下限：Ddowm=128/5=51.2=33HTRIANG PROCFAR MOV DX，350HMOVCX，066HMOVAL，33HZ1：OUTDX，AL；送；送D/A输出，形成上升斜坡输出，形成上升斜坡INC

13、AL；AL加加1LOOPZ1；循环；循环102次次MOVCX，066HZ2：DECALOUTDX，AL；输出下降斜坡；输出下降斜坡LOOPZ2JMPZ1RETTRIANGENDP输出正向锯齿波2次数据输出的时间间隔次数据输出的时间间隔02LSB1LSB255LSB254LSB锯齿波周期锯齿波周期mov dx,portdmov al,0repeat:out dx,alinc aljmp repeat二、不带输入锁存器二、不带输入锁存器D/A与与PC机的连接机的连接n这类这类D/A转换器由于本身不带有锁存器，因此在与转换器由于本身不带有锁存器，因此在与CPU连接连接时，必须外加一个锁存器。时，必须

14、外加一个锁存器。8位不带锁存器位不带锁存器DAC0808与系统与系统总线的连接示意图：总线的连接示意图：n外加的锁存器为外加的锁存器为74LS273，该芯片利用，该芯片利用CLK负脉冲将输入负脉冲将输入端的数据锁存，在输出端稳定出现锁存时的数据。端的数据锁存，在输出端稳定出现锁存时的数据。【例例13.2】如图如图13.11所示，假设译码器输出地址为所示，假设译码器输出地址为0030H，8位数字量放位数字量放在数据段的在数据段的1000H中，将其转换成模拟量的程序片断如下：中，将其转换成模拟量的程序片断如下：MOVBX，1000HMOVDX，0030HMOV AL，BXOUT DX，AL；锁存到

15、；锁存到74LS273中，并转换中，并转换以上讨论的均是以上讨论的均是8位的位的D/A转换器，对于超过转换器，对于超过8位的位的DAC与系统相连时，需要与系统相连时，需要注意以下两点：注意以下两点：（1）如果）如果CPU外部数据总线为外部数据总线为8位，则要分两次送数据，带锁存的位，则要分两次送数据，带锁存的DAC的高的高位和低位和低8位相连，然后分两次送数，编程时注意高低位的调整或移位。位相连，然后分两次送数，编程时注意高低位的调整或移位。（2）如果）如果CPU外部数据总线为外部数据总线为16位或以上，只需将位或以上，只需将DAC相应位与相应位与CPU数据数据线连接即可。线连接即可。12.3

16、 A/D转换器模拟量模拟量数字量数字量模拟模拟/数字转换器数字转换器ADC13.3.1 A/D转换的步骤一、采样和保持一、采样和保持n二、量化和编码二、量化和编码 13.3.2 ADC的主要技术指标的主要技术指标1ADC分辨率分辨率n是指是指ADC能够分辨最小量化信号（输入最小模拟电压值）的能够分辨最小量化信号（输入最小模拟电压值）的能力，与数据位数有关，位数越多，分辨率越高。对于能力，与数据位数有关，位数越多，分辨率越高。对于n位位二进制的二进制的ADC来说，分辨率为：来说，分辨率为：n分辨率分辨率=满量程输入模拟电压值满量程输入模拟电压值/2nn习惯上采用位数表示分辨率习惯上采用位数表示分

17、辨率:8位、位、10位、位、12位、位、16位等。位等。2ADC转换精度转换精度n转换精度是指转换精度是指A/D转换器输出的理论值与真实值之间的差值，转换器输出的理论值与真实值之间的差值，它可以分为绝对精度和相对精度两种。它可以分为绝对精度和相对精度两种。n绝对精度是指绝对精度是指ADC实际值与理论值之间的最大差值，通实际值与理论值之间的最大差值，通常以常以VLSB或或LSB的倍数来表示。的倍数来表示。n相对精度则是用绝对精度与满量程输出比值，通常用满相对精度则是用绝对精度与满量程输出比值，通常用满量程量程FSR（VFSR或或IFSR）的百分数来表示。）的百分数来表示。3ADC转换时间转换时间

18、转换时间是指完成一次转换时间是指完成一次A/D转换所需要时间。转换所需要时间。13.3.3 ADC工作原理工作原理n存在多种存在多种A/D转换技术，各有特点，分转换技术，各有特点，分别应用于不同的场合别应用于不同的场合n3种常用的转换技术种常用的转换技术并行高速式并行高速式双积分式双积分式逐次比较式逐次比较式1.并行式编编码码电电路路VinVREF数字输出数字输出比较器比较器RRRRRRR/2R/2特点是转换速度极快，特点是转换速度极快，但是当该但是当该ADC的位数增加时所的位数增加时所需电压比较器和数据寄存器的需电压比较器和数据寄存器的数目将以几何级数增加。数目将以几何级数增加。仅适用于仅适

19、用于3、4、5位等的转换，位等的转换，或与逐次比较式或与逐次比较式ADC混合使用，混合使用，以提高转换位数。以提高转换位数。2.双积分式两个积分阶段两个积分阶段实质是电压实质是电压/时间变换时间变换双积分式双积分式ADC的特点是转换精度高，抗干扰能力强，但由于要进行两次积的特点是转换精度高，抗干扰能力强，但由于要进行两次积分，因此转换速度低，适用于对速度要求不高的场合，如数字式测试仪表分，因此转换速度低，适用于对速度要求不高的场合，如数字式测试仪表（三用表）、温度测量等。（三用表）、温度测量等。3.逐次比较式从最高位开始从最高位开始的逐位试探法的逐位试探法特点是转换速度相对较快，对于特点是转换

20、速度相对较快，对于n位位A/D转换器只需转换器只需n个时钟个时钟脉冲即可完成一次转换，且转换精度高，因此在数字系统中得脉冲即可完成一次转换，且转换精度高，因此在数字系统中得到了广泛的应用。到了广泛的应用。如如ADC0809就是就是8位逐次比较式位逐次比较式A/D转换器。转换器。13.3.4典型典型ADC芯片芯片ADC0809n具有具有A/D转换的基本功能转换的基本功能vCMOS工艺制作工艺制作v8位逐次比较式位逐次比较式ADCv转换时间为转换时间为100 sn包含扩展部件包含扩展部件多路开关多路开关三态锁存缓冲器三态锁存缓冲器ADC0809的内部结构图1.ADC0809的模拟输入n提供一个提供

21、一个8通道的多路开关和寻址逻辑通道的多路开关和寻址逻辑IN0IN7：8个模拟电压输入端个模拟电压输入端ADDA、ADDB、ADDC：3个地址输入线个地址输入线ALE：地址锁存允许信号地址锁存允许信号nALE的上升沿用于锁存的上升沿用于锁存3个地址输入的状个地址输入的状态，然后由译码器从态，然后由译码器从8个模拟输入中选择个模拟输入中选择一个模拟输入端进行一个模拟输入端进行A/D转换转换3.ADC0809的数字输出nADC0809内部锁存转换后的数字量内部锁存转换后的数字量n具有三态数字量输出端具有三态数字量输出端D0D7n配合输出允许信号配合输出允许信号OEo当输出允许信号当输出允许信号OE为高电平有效时，将三为高电平有效时，将三态锁存缓冲器的数字量从态锁存缓冲器的数字量从D0D7输出输出