第2章 模拟量输入 输出通道接口技术

计算机控制技术第2章模拟量I/O通道接口技术第2章模拟量I/O通道接口技术接口：计算机与外设之间相连接的部件。可以是电路板、元器件等。如显卡、网卡、并行接口、串行接口、A/D转换器、D/A转换器、MODEM等。接口的功能：寻址功能、输入/输出功能、信号转换功能（串转并、并转串、A/D、D/A等）、数据缓冲功能等。模拟量输入/输出通道接口，是微机控制系统中重要的硬件部分。本章主要内容2．1多路开关及采样保持器2．2模拟量输出通道接口技术2．3模拟量输入通道接口技术2.1多路开关及采样/保持器（1）本节内容：采样定理、多路开关、采样/保持器2.1.1采样定理采样定理即香浓（Shannon）定理：对于有限带宽信号x(t)，即|f|fmax，x(t)=0，而x*(t)是x(t)的理想采样信号，若采样频率fs≥2fmax，则由x*(t)可以完全地恢复x(t)。一般fs至少取4fmax，实际中取10倍是很平常的。采样频率fs（或周期T）理论计算困难，常用经验值。2.1多路开关及采样/保持器（2）2.1.2多路开关多路开关的作用是分时地选择多路模拟量中之一路进行传输。可以是输入，多到一进行A/D转换；也可以是输出，一到多将D/A转换结果输出。前者叫多路开关，后者叫多路分配器。现在的多路开关均为集成电路，有跟多中型号可供选择，见表2-1。多路开关的一个重要参数是接通电阻，不会是0。2.1多路开关及采样/保持器（3）2.1.3采样/保持器A/D转换器将模拟量转换成数字量需要一定的时间，而模拟量是随时间变化的，有可能在转换过程中模拟信号发生变化，因此会产生错误的转换结果。采样/保持器（Sample/Hold）就是对模拟信号进行瞬间（微秒或更短）采样，然后保持其电压值，供A/D转换器进行转换。2.2模拟量输出通道接口技术（1）本节内容：D/A转换原理、8位和12位D/A转换器及接口2.2.1D/A转换原理D/A转换器的主要参数之一是分别率，即转换器的位数，有8位的、10位的、12位的等。转换原理：将数字量先转换成模拟电流（借助网络电阻），然后用运放器转换成模拟电压。2.2模拟量输出通道接口技术（2）2.2.28位D/A转换器及其接口技术主要介绍DAC0832一、普通型D/A转换器DAC08321、主要特点8位、稳定时间为1μs、数据输入可双缓冲单缓冲或直通、低功耗约200mW、电平与TTL兼容、单电源供电（+5~+15V）。2.2模拟量输出通道接口技术（3）2、结构与原理由4部分构成：输入控制、输入锁存、转换寄存、D/A转换器2.2模拟量输出通道接口技术（4）3、引脚信号D7—D0：数字量输入ILE：输入锁存允许（高）WR1：输入锁存器写选通（低）WR2：DAC寄存器写选通（低）XFER：数据传送控制（低）IOUT1：DAC电流输出1，当输入数字量为全1时，IOUT1为最大值。IOUT2：DAC电流输出2，当输入数字量为全1时，IOUT2为最小值，IOUT1+IOUT2=常数，IOUT2常接地。Rfb：反馈信号输入端VREF：参考电压输入端AGND：模拟地DGND：数字地CS：片选信号二、微型计算机信号1、MCS-51单片机引脚信号2.2模拟量输出通道接口技术（6）2、MCS-51单片机的内部资源2.2模拟量输出通道接口技术（7）3、8086处理器引脚信号1）地址总线20位AD0—AD15、A16—A19它们均分时地输出地址2）数据总线16位AD0—AD15，分时传输数据3）控制总线RD、WR（读写），ALE（地址锁存），DEN（数据允许），DT/R（方向控制），INTR、INTA（中断请求与应答），HOLD、HLDA（总线请求与应答）等2.2模拟量输出通道接口技术（8）三、8位D/A转换器与微型机的接口注意：1）数字量输入、2）模拟量输出、3）控制信号连接1、DAC0832与微型机的接口为单缓冲方式，输入锁存器锁存、转换器寄存器直通。地址译码器74LS138输入端输出端允许选择G1G2CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7×H×××HHHHHHHHL××××HHHHHHHHHLLLLLHHHHHHHHLLLHHLHHHHHHHLLHLHHLHHHHHHLLHHHHHLHHHHHLHLLHHHHLHHHHLHLHHHHHHLHHHLHHLHHHHHHLHHLHHHHHHHHHHL74LS138功能表1162153144135126117108974LS138地址译码器ABCG2AG2BG1Y7GNDVCCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y62.2模拟量输出通道接口技术（10）2、应用编程试对DAC0832进行编程，使其输出锯齿波。设0832的片选地址为PORTDA。主程序段：MOVDX，PORTDAMOVAL，0LP：OUTDX，ALCALLDELAYINCALJMPLP延时子程序：DELAY：MOVCX，DATADELP：NOPLOOPDELPRET2.2模拟量输出通道接口技术（11）四、其它的8位D/A转换器1、电压输出型D/A转换器AD5582.2模拟量输出通道接口技术（12）2、多通道D/A转换器AD72262.2模拟量输出通道接口技术（13）2.2.3高于8位的D/A转换器有10位的、12位的、14位的、以及更多位数的D/A转换器。使用上与8位转换器不同的是与微机接口时，数据要分两次或三次输入。2.3模拟量输入通道接口技术（1）本节主要讲8位A/D转换器ADC08092.3.1A/D转换原理其方法有：计数法、逐次逼近法、双积分法、V/F转换法等。（略）A/D转换器的主要参数有分别率、转换速度等。分别率即转换器的位数，有8位的、10位的、12位的等。转换速度即转换的快慢，有高速的（μs量级）、中速的（百μs量级）、低速的（数十ms量级）等。转换精度即转换的精确程度、误差的大小，用最低有效位的几分之一表示。如±1/2LSB2.3模拟量输入通道接口技术（2）2.3.28位A/D转换器ADC0808/0809DAC0808和DAC0809相同，区别仅在于精度不同，前者为±1/2LSB，后者为±1LSB。1、电路组成由多路模拟开关、A/D转换器、三态输出锁存器，三部分组成。ADC0809内部逻辑结构2.3模拟量输入通道接口技术（3）2.3模拟量输入通道接口技术（4）2、引脚信号IN0—IN7：8个模拟量输入端START：转换启动信号输入端EOD：转换结束信号输出端OE：转换结果输出允许输入端ADDA、ADDB、ADDC：通道号选择输入端ALE：地址锁存信号输入端CLK：时钟输入端D0—D7：数字信号输出端VREF(+)、VREF(-)：参考电压输入D7D6D5D4D0D2D1D32.3模拟量输入通道接口技术（5）3、转换原理启动脉冲START和地址锁存脉冲的上升沿将地址锁存，把选中通道的模拟量送到A/D转换器；在START信号的下降沿启动A/D转换，转换器进行逐次逼近转换，在转换过程中EOC为低；转换结束后EOC信号由低变高，可以读取转换结果。4、主要技术指标单一5V供电模拟量范围：0～5V分别率：8位精度：ADC0808为±1/2LSB，ADC0809为±1LSB功耗：为15mW时钟范围：10~1280kHz转换时间：时钟500kHz时为128μs2.3模拟量输入通道接口技术（6）5、DAC0809与微型机的接口技术注意以下信号的连接：1）模拟量的输入极性、电平2）数字量的输出位数、是否有锁存3）A/D转换的启动电平或脉冲启动4）转换结束信号转换中为低，结束为高作中断或查询读取结果5）参考电源VREF±单、双极性电源6）接地7）时钟2.3模拟量输入通道接口技术（6）5、DAC0809与微型机的接口技术（1）微机以查询方式与ADC0809连接注意以下信号的连接：1）模拟量的输入极性、电平2）数字量的输出位数、是否有锁存3）A/D转换的启动电平或脉冲启动4）转换结束信号转换中为低，结束为高作中断或查询读取结果5）参考电源VREF±单、双极性电源6）接地7）时钟图2-37ADC0809工作于查询方式2.3模拟量输入通道接口技术（7）（2）软件编程设8个模拟通道的端口地址为220H～227H（亦为数据输出的地址），转换状态的端口地址为238H~23FH。80X86汇编程序如下。DATASEGMENT；定义数据段COUNTEREQU8BUFDBCOUNTERDUP（0）；数据缓冲区DATAENDS；数据段结束***********************************************************CODESEGMENT；定义代码段MAINPROCFAR；主程序ASSUME：CS：CODE，DS：DATASTART：MOVAX，DATA；设置数据段MOVDS，AXMOVBX，OFFSETBUF；数据存放首地址MOVCX，COUNTER；检测数据个数送CXMOVDX，220H；准备检测通道的地址2.3模拟量输入通道接口技术（8）START1:OUTDX，AL；启动A/D转换PUSHDXMOVDX，238H；准备查询地址START2：INAL，DX；读入状态信息TESTAL，80H；检查转换是否结束JZSTART2；为0则未结束，继续查询POPDX；弹出数据地址INAL，DX；读取转换结果MOV[BX]，AL；存入缓冲区INCBX，INCDXLOOPSTART1；转向下一模拟通道检测。。。。2.3模拟量输入通道接口技术（9）。。。。；数据处理MOVAX，4C00H；返回DOSINT21HMAINENDPCODEENDSENDSTART2.3模拟量输入通道接口技术（10）2.3.3其它的A/D转换器1、其它的8位A/D转换器1）普通型A/D转换器AD7574主要特点：单5V供电、功耗低（30mW）、速度高（15μs）、有三态输出锁存器等。BUSY：状态信号，0示正在转换；1示转换结束。BOFS：二进制偏移，接地输出的为二进制数；接高，且输入为双极性，则输出为二进制偏移码。2.3模拟量输入通道接口技术（11）2）带仪器放大器的A/D转换器AD670主要特点：内部有精密放大器，可以直接输入传感器送来的小信号，在内部放大成0～5V的标准信号；其它方面基本与AD7574相同。START：1示正在转换；0示转换结束。BPO/UPO：极性选择，单极性应接地。FORMAT：2.3模拟量输入通道接口技术（12）2、高于8位A/D的转换器12位A/D转换器AD574AD574是美国模拟器件公司（AnalogDevices）生产的12位逐次逼近型快速A/D转换器。主要特点：12位、转换速度位35μs、转换误差为±0.05%、内部有三态输出缓冲器、与COMS及TTL电平兼容等。2.3模拟量输入通道接口技术（13）作业2.1什么叫接口？接口的作用是什么？2.6采样/保持器有什么用处？2.8香农定理的基本内容是什么？2.9A/D和D/A转换器在微机控制系统中有什么作用？2.17试用图2-20的电路设计出产生三角波和反向锯齿波的程序。设DAC0832的端口地址为280H。作业2.21设某12位A/D转换器的输入电压为0---+5V，求出当输入模拟量为下列值时输出的数字量：（1）1.25V；（2）2V；（3）2.5V（4）3.75V；（5）4V；（6）5V提示：N=（212-1）U/UMUM=5；212=4096