第十一章-模拟量接口课件

第第1111章章 模拟量接口模拟量接口教学重点 DAC 0832及其与主机的连接及其与主机的连接 ADC 0809及其与主机的连接及其与主机的连接第11章 模拟量接口教学重点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模拟量与数字量模拟量连续变化的物理量数字量时间和数值2 模拟输入输出系统数字信号数字信号模拟信号模拟信号现场信号现场信号1现场信号现场信号2现场信号现场信号n微型微型计算机计算机放大器放大器放大器放大器放大器放大器多多路路开开关关低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传感器A/D转换器转换器采样保持器采样保持器数字信号数字信号受控对象受控对象控制信号控制信号模拟信号模拟信号D/A转换器转换器放大驱动电路放大驱动电路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多路开关多路开关把多个现场信号分时地接通到把多个现场信号分时地接通到A/D转换器转换器采样保持器采样保持器周期性地采样连续信号，周期性地采样连续信号，并在并在A/D转换期间保持不变转换期间保持不变 模拟输入输出系统数字信号模拟信号现场信号1现场信号2现场311.1 D/A转换器DAC数字数字/模拟转换器模拟转换器模拟量模拟量数字量数字量11.1 D/A转换器DAC模拟量数字量411.1.1 D/A转换的基本原理数字量数字量 按权相加按权相加 模拟量模拟量1101B 123122021120 1311.1.1 D/A转换的基本原理数字量 按权相加 5D/A转换器的原理图（1）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF电阻网络电阻网络基准电压基准电压电子开关电子开关D/A转换器的原理图（1）Iout2Iout1RfbRfbV6D/A转换器的原理图（2）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF阻抗阻抗2R运算放大器运算放大器虚地虚地D/A转换器的原理图（2）Iout2Iout1RfbRfbV7D/A转换器的原理图（3）VaVREFVbVREF/2VcVREF/4VdVREF/8I0Va/2RVREF/（82R）I1Vb/2RVREF/（42R）I2Vc/2RVREF/（22R）I3Vd/2RVREF/（12R）D/A转换器的原理图（3）VaVREFI0Va/2RV8D/A转换器的原理图（4）Iout1I0I1I2I3VREF/2R（1/81/41/21）RfbRVoutIout1RfbVREF（20212223）/24Vout（D/2n）VREFD/A转换器的原理图（4）Iout1I0I1I2I3911.1.3 DAC0832芯片nDAC0832是是典典型型的的8位位电电流流输输出出型型通用通用DAC芯片芯片LE2LE1 RfbAGNDDAC0832VccILEVREF输入寄存器 DGNDDI0DI7D/A转换器DAC寄存器Iout2Iout111.1.3 DAC0832芯片DAC0832是典型的8位10DAC0832的内部结构LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF输入输入寄寄存存器器DGNDDI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout2Iout1CSWR1WR2XFERDAC0832的内部结构LE2LE1RfbAGNDDAC08111.DAC0832的数字接口n8位数字输入端位数字输入端nDI0DI7（DI0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*1.DAC0832的数字接口8位数字输入端12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输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1直通锁存器的工作方式两级缓冲寄存器都是直通锁存器LE2LE113DAC0832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：直通方式LE1LE21LE2L14DAC0832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：单缓冲方式LE11，或者LE215DAC0832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能能够够对对一一个个数数据据进进行行D/A转转换换的的同同时时；输输入入另另一个数据一个数据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Iout1DAC0832的工作方式：双缓冲方式两个寄存器都处于受控（缓162.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2.DAC0832的模拟输出Iout1、Iout2电流17单极性电压输出VoutIout1Rfb（D/28）VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF单极性电压输出VoutIout1RfbRfbIout218单极性电压输出：例子设设 VREF5VnDFFH255时，最大输出电压：时，最大输出电压：Vmax（255/256）5V4.98VnD00H时，最小输出电压：时，最小输出电压：Vmin（0/256）5V0VnD01H时，一个最低有效位（时，一个最低有效位（LSB）电压：）电压：VLSB（1/256）5V0.02VVout（D/2n）VREF单极性电压输出：例子设 VREF5VVout（D/219双极性电压输出：电路R1（R）R3（2R）R2（2R）RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1I20双极性电压输出：电路R1（R）R3（2R）R2（2R）Rfb20双极性电压输出：公式取取 R2R32R1得得 Vout2（2Vout1VREF）因因 Vout1（D/28）VREF故故 Vout2（D27）/27）VREF双极性电压输出：公式取 R2R32R121双极性电压输出：例子设设 VREF5VnDFFH255时，最大输出电压：时，最大输出电压：Vmax（255128）/1285V4.96VnD00H时，最小输出电压：时，最小输出电压：Vmin（0128）/1285V5VnD81H129时，一个最低有效位电压：时，一个最低有效位电压：VLSB（129128/1285V0.04VVout（D27）/27）VREF双极性电压输出：例子设 VREF5VVout（D27223.输出精度的调整RfbIout2Iout1Vout+_AGND调零调零电位器电位器调满刻度调满刻度电位器电位器电源电源 5VADI10K1M1KVREF3.输出精度的调整RfbIout2Iout1Vout+_A234.地线的连接DGNDAGND模拟电路模拟电路数字电路数字电路ADCDAC模拟电路模拟电路数字电路数字电路模拟地模拟地模拟地模拟地数字地数字地数字地数字地公共接地点公共接地点公共接地点公共接地点4.地线的连接DGNDAGND模拟电路数字电路ADCDAC24 DAC芯片与主机的连接nDAC芯芯片片相相当当于于一一个个“输输出出设设备备”，至至少需要一级锁存器作为接口电路少需要一级锁存器作为接口电路n考考虑虑到到有有些些DAC芯芯片片的的数数据据位位数数大大于于主主机数据总线宽度，所以分成两种情况：机数据总线宽度，所以分成两种情况：1.主机位数等于或大于主机位数等于或大于DAC芯片位数芯片位数2.主机位数小于主机位数小于DAC芯片位数芯片位数 DAC芯片与主机的连接DAC芯片相当于一个“输出设备”，251.主机位数大于或等于DAC芯片的连接mov al,bufmov dx,portdout dx,al译码译码ABD0D7CLKDACVout+_ALS273 IOW1.主机位数大于或等于DAC芯片的连接mov al,buf26DAC0832单缓冲方式 WR1 CS IOW 5V+5VRfbIout2Iout1 WR2XFERDGND AGNDD0D7DI0D17VccILEVREFVout+_A译码译码ABDAC0832单缓冲方式 WR1 CS IOW5V+5VR272.主机位数小于DAC芯片的连接n数字数据需要多次输出数字数据需要多次输出n接接口口电电路路也也需需要要多多个个（级级）锁锁存存器器保保存存多次输出的数据多次输出的数据n并并需需要要同同时时将将完完整整的的数数字字量量提提供供给给DAC转换器转换器CPUCPUDACDAC8位位12位位2.主机位数小于DAC芯片的连接数字数据需要多次输出CPU28两级锁存电路模拟输出模拟输出12位位DAC第第2级级12位锁存控制位锁存控制第第1级低级低8位锁存控制位锁存控制第第1级高级高4位锁存控制位锁存控制D0D74位位锁存器锁存器4位位锁存器锁存器8位位锁存器锁存器8位位锁存器锁存器由同一个信号控制由同一个信号控制关键的一级锁存关键的一级锁存无需输出数据无需输出数据两级锁存电路模拟输出第2级12位锁存控制第1级低8位锁存控制29简化的两级锁存电路模拟输出模拟输出12位位DAC第第2级级12位锁存控制位锁存控制第第1级低级低8位锁存控制位锁存控制D0D74位位锁存器锁存器8位位锁存器锁存器8位位锁存器锁存器由同一个信号控制由同一个信号控制关键的一级锁存关键的一级锁存需要输出高需要输出高4位数据位数据mov dx,port1mov al,blout dx,almov dx,port2mov al,bhout dx,al简化的两级锁存电路模拟输出第2级12位锁存控制第1级低8位锁30 DAC芯片的应用mov dx,portdmov al,0repeat:out dx,alinc aljmp repeat DAC芯片的应用mov dx,portd31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输出正向锯齿波2次数据输出的时间间隔02LSB1LSB2553211.2 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ADC11.2 A/D转换器模拟量数字量模拟/数字转换器33 A/D转换的基本原理n存存在在多多种种A/D转转换换技技术术，各各有有特特点点，分别应用于不同的场合分别应用于不同的场合n4种常用的转换技术种常用的转换技术计数器式计数器式逐次逼近式逐次逼近式双积分式双积分式并行式并行式 A/D转换的基本原理存在多种A/D转换技术，各有特点，分341.计数器式以最低位为增减量以最低位为增减量单位的逐步计数法单位的逐步计数法时钟时钟复位复位数字输出数字输出比较器比较器模拟输入模拟输入计数器计数器D/A转换器转换器转换结束转换结束1.计数器式以最低位为增减量时钟数字输出比较器模拟输入计352.逐次逼近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时钟时钟复位复位数字输出数字输出转换结束转换结束比较器比较器模拟输入模拟输入寄存器寄存器D/A转换器转换器2.逐次逼近式从最高位开始时钟数字输出转换结束比较器模拟363.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IREFIinVinVREF积分器积分器比较器比较器V/IV/I时钟时钟启动计数启动计数计数器计数器数字输出数字输出T2T1Vc固定斜率固定斜率时间可变时间可变固定时间固定时间斜率可变斜率可变转换结束转换结束3.双积分式两个积分阶段IREFIinVinVREF积分374.并行式速度快成本高速度快成本高直接比较法直接比较法编编码码电电路路VinVREF数字输出数字输出比较器比较器RRRRRRR/2R/24.并行式速度快成本高VinVREF数字输出比较器RRR3811.2.3 ADC0809芯片n具有具有A/D转换的基本功能转换的基本功能nCMOS工艺制作工艺制作n8位逐次逼近式位逐次逼近式ADCn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11.2.3 ADC0809芯片具有A/D转换的基本功能39ADC0809的内部结构图ADC0809地址锁存地址锁存和译码和译码OE通道通道选择选择开关开关ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位位三态三态锁存锁存缓冲器缓冲器DACVcc比较器比较器CLOCKSTARTGND VREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器SAR定时和控制定时和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOCADC0809的内部结构图ADC0809地址锁存OEADDA401.ADC0809的模拟输入n提供一个提供一个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nIN0IN7：8个模拟电压输入端个模拟电压输入端nADDA、ADDB、ADDC：3个地址输入线个地址输入线nALE：地址锁存允许信号地址锁存允许信号nALE的的上上升升沿沿用用于于锁锁存存3个个地地址址输输入入的的状状态态，然然后后由由译译码码器器从从8个个模模拟拟输输入入中中选选择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1.ADC0809的模拟输入提供一个8通道的多路开关和寻址412.ADC0809的转换时序D0D7OEEOCSTART/ALEADDA/B/CDATA100 s2 s+8T(最大最大)200ns(最小最小)转换启动信号转换启动信号转换启动信号转换启动信号转换结束信号转换结束信号转换结束信号转换结束信号2.ADC0809的转换时序D0D7OEEOCSTART423.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OEn当当输输出出允允许许信信号号OE为为高高电电平平有有效效时时，将将三态锁存缓冲器的数字量从三态锁存缓冲器的数字量从D0D7输出输出3.ADC0809的数字输出ADC0809内部锁存转换后的434.ADC0809的转换公式输入模拟电压输入模拟电压输入模拟电压输入模拟电压输出数字量输出数字量输出数字量输出数字量基准电压基准电压基准电压基准电压正正正正极极极极基准电压基准电压基准电压基准电压负负负负极极极极4.ADC0809的转换公式输入模拟电压输出数字量基准电压44单极性转换示例n基准电压基准电压VREF(+)5V，VREF()0Vn输入模拟电压输入模拟电压Vin1.5VN（1.50）（50）25676.8774DH单极性转换示例基准电压VREF(+)5V，VREF()45双极性转换示例n基准电压基准电压VREF(+)5V，VREF()5Vn输入模拟电压输入模拟电压Vin1.5VN（1.55）（55）25689.6905AH双极性转换示例基准电压VREF(+)5V，VREF()46 ADC芯片与主机的连接nADC芯芯片片相相当当于于“输输入入设设备备”，需需要要接接口电路提供数据缓冲器口电路提供数据缓冲器n主机需要控制转换的启动主机需要控制转换的启动n主主机机还还需需要要及及时时获获知知转转换换是是否否结结束束，并并进行数据输入等处理进行数据输入等处理 ADC芯片与主机的连接ADC芯片相当于“输入设备”，需要471.数据输出线的连接n与主机的连接可分成两种方式与主机的连接可分成两种方式n直接相连直接相连：用于输出带有三态锁存器的：用于输出带有三态锁存器的ADC芯片芯片n通过三态锁存器相连通过三态锁存器相连：适用于不带三态锁：适用于不带三态锁存器的存器的ADC芯片，也适用带有三态锁存缓芯片，也适用带有三态锁存缓冲器的芯片冲器的芯片nADC芯芯片片的的数数字字输输出出位位数数大大于于系系统统数数据据总线位数，需把数据分多次读取总线位数，需把数据分多次读取1.数据输出线的连接与主机的连接可分成两种方式482.A/D转换的启动（1）n启动信号一般有两种形式启动信号一般有两种形式q脉冲信号启动转换脉冲信号启动转换q电平信号启动转换电平信号启动转换转换启动转换启动转换启动转换启动转换结束转换结束转换结束转换结束2.A/D转换的启动（1）启动信号一般有两种形式转换启动转492.A/D转换的启动（2）n主机产生启动信号有两种方法主机产生启动信号有两种方法q编程启动编程启动软件上，执行一个输出指令软件上，执行一个输出指令硬件上，利用输出指令产生硬件上，利用输出指令产生ADC启动脉启动脉冲，或产生一个启动有效电平冲，或产生一个启动有效电平q定时启动定时启动启动信号来自定时器输出启动信号来自定时器输出2.A/D转换的启动（2）主机产生启动信号有两种方法503.转换结束信号的处理v不同的处理方式对应程序设计方法不同不同的处理方式对应程序设计方法不同 查询方式查询方式把结束信号作为状态信号把结束信号作为状态信号 中断方式中断方式把结束信号作为中断请求信号把结束信号作为中断请求信号 延时方式延时方式不使用转换结束信号不使用转换结束信号 DMA方式方式把结束信号作为把结束信号作为DMA请求信号请求信号3.转换结束信号的处理不同的处理方式对应程序设计方法不同51 ADC芯片的应用n例例2 编编程程启启动动、转转换结束中断处理换结束中断处理n例例3 编编程程启启动动、转转换结束查询处理换结束查询处理 ADC芯片的应用例2 编程启动、转换结束中断处理52中断方式D0D7220hIRQ2A0A9译码译码VccD0D7EOCADDAADDBADDCALE模拟输入模拟输入（05V）500KHzCLOCKVREF(+)+5VIN0OESTARTGNDVREF(-)IOR IOW中断方式D0D7220hIRQ2A0A9译码VccD053主程序;数据段数据段adtemp db 0;给定一个临时变量给定一个临时变量;代码段代码段;设置中断向量等工作设置中断向量等工作sti;开中断开中断mov dx,220hout dx,al;启动启动A/D转换转换;其他工作其他工作主程序;数据段54中断服务程序adint procsti;开中断开中断push ax;保护寄存器保护寄存器push dxpush dsmov ax,data;设置数据段设置数据段DSmov ds,axmov dx,220hin al,dx;读读A/D转换的数字量转换的数字量mov adtemp,al;送入缓冲区送入缓冲区中断服务程序adintproc55中断服务程序mov al,20h;发送发送EOI命令命令out 20h,alpop ds;恢复寄存器恢复寄存器pop dxpop axiret;中断返回中断返回adintendp中断服务程序mov al,20h;发送EOI命令56查询方式8通道通道模拟输入模拟输入（05V）VccD7A3A9D0D7D0D7OEEOCA0A1A2ADDAADDBADDC 译码译码500KHzCLOCKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE+5VIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7220h227h238h23fh IOR IOW查询方式8通道VccD7A3A9D0D7D0D7OEE57启动转换;数据段数据段counter equ 8bufdb counter dup(0);数据缓冲区数据缓冲区;代码段代码段mov bx,offset bufmov cx,countermov dx,220h;从从IN0开始转换开始转换start1:out dx,al;启动启动A/D转换转换push dx启动转换;数据段58查询读取mov dx,238h;查询是否转换结束查询是否转换结束start2:in al,dx;读入状态信息读入状态信息test al,80h;D71，转换结束否，转换结束否?jz start2;没有结束，继续查询没有结束，继续查询pop dx;转换结束转换结束in al,dx;读取数据读取数据mov bx,al;存入缓冲区存入缓冲区inc bxinc dxloop start1;转向下一个模拟通道转向下一个模拟通道查询读取mov dx,238h;查询是否转换结束59第第1111章教学要求章教学要求1.了解模拟输入输出系统及各部件功能了解模拟输入输出系统及各部件功能2.理解理解D/A转换和转换和A/D转换原理转换原理3.掌握掌握DAC0832和和ADC08094.理解理解DAC和和ADC芯片与主机连接问题芯片与主机连接问题5.掌握掌握ADC芯片的应用芯片的应用习题习题11（第（第 278 页）页）11.10第11章教学要求1.了解模拟输入输出系统及各部件功能60