第六章微机接口技术56课件

6.4 模拟量输入模拟量输入/输出通道输出通道6.4.1概概 述述n在一个实际的系统中需用传感器把各种物理参在一个实际的系统中需用传感器把各种物理参数数(如压力和温度等如压力和温度等)测量出来，并转换为电信测量出来，并转换为电信号，再经过号，再经过A/D转换器，传送给微型计算机；转换器，传送给微型计算机；微型计算机加工处理后，通过微型计算机加工处理后，通过D/A转换器去控转换器去控制各种参数量。制各种参数量。n 把模拟量转换成数字量的器件，称为模数转把模拟量转换成数字量的器件，称为模数转换器，简称为换器，简称为A/D(Anolog to Digit)。n 把数字量转换成模拟量的器件称为数模转换把数字量转换成模拟量的器件称为数模转换器，简称为器，简称为D/A(Digit to Anolog)。一、模拟输入输出系统nA/D转换器的作用：将模拟的电信号转换成数字转换器的作用：将模拟的电信号转换成数字信号。在将物理量转换成数字量之前，必须先信号。在将物理量转换成数字量之前，必须先将物理量转换成电模拟量，这种转换是靠传感将物理量转换成电模拟量，这种转换是靠传感器完成的。器完成的。n应用场合：微型计算机处理的是数字量，而实应用场合：微型计算机处理的是数字量，而实际上外界事物大多是模拟量，如：温度、压力、际上外界事物大多是模拟量，如：温度、压力、流量、浓度、速度、水位、距离等等，这些都流量、浓度、速度、水位、距离等等，这些都是非电的物理量，它们必须经过适当的转换才是非电的物理量，它们必须经过适当的转换才能为微机处理。这一转换过程称为能为微机处理。这一转换过程称为A/D转换，又转换，又称为量化过程。需要用到称为量化过程。需要用到A/D转换器。转换器。n传感器：传感器一般是指能够进行非电量和电传感器：传感器一般是指能够进行非电量和电量之间转换的敏感元件。量之间转换的敏感元件。n传感器的精度直接影响整个系统的精度，如果传感器的精度直接影响整个系统的精度，如果传感器误差较大，则测量电路、放大电路以及传感器误差较大，则测量电路、放大电路以及A/D转换电路和微型计算机的处理都会受到影响。转换电路和微型计算机的处理都会受到影响。其发展方向在高精尖方面。其发展方向在高精尖方面。n几种典型的传感器。几种典型的传感器。n温度传感器、湿度传感器、气敏传感器、压电温度传感器、湿度传感器、气敏传感器、压电式和压阻式传感器、光纤传感器等式和压阻式传感器、光纤传感器等二、A/D转化过程n一般的一般的A/D转换过程是通过采样、保持、量化转换过程是通过采样、保持、量化和编码和编码4个步骤完成的，这些步骤往往是合并个步骤完成的，这些步骤往往是合并进行的进行的。三、多路模拟开关与采样保持电路n1、多路模拟开关、多路模拟开关n工作原理：由多个数字模拟开关组成，由地址工作原理：由多个数字模拟开关组成，由地址确定输出模拟信号。芯片确定输出模拟信号。芯片AD7501，AD7502n2、采样保持电路、采样保持电路n由电容、输入输出缓冲器、模拟开关、控制电由电容、输入输出缓冲器、模拟开关、控制电路组成路组成6.4.2 DAC的一般工作原理的一般工作原理n为了实现数字量到模拟量的转换，必须将每位为了实现数字量到模拟量的转换，必须将每位代码按其权值的大小转换成相应的模拟量，然代码按其权值的大小转换成相应的模拟量，然后将各模拟分量相加，其总和就是与数字量对后将各模拟分量相加，其总和就是与数字量对应的模拟量，这就是应的模拟量，这就是D/A转换的基本原理。转换的基本原理。D/A转换器主要由电阻网络、电子开关、基准转换器主要由电阻网络、电子开关、基准电压及运算放大器组成。电压及运算放大器组成。二、二、D/A转换器的基本结构转换器的基本结构n1权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器n解码网络解码网络”由电阻网、受数字控制的模拟开由电阻网、受数字控制的模拟开关、基准源三部分构成关、基准源三部分构成。2梯形R-2R解码网6.5.2 数数/模转换器芯片（模转换器芯片（DAC）及其）及其接口技术接口技术 n（1）分辨率（）分辨率（Resolution）单位数字量对应模拟量）单位数字量对应模拟量增量。增量。n（2）精度（）精度（Accuracy）分绝对精度（）分绝对精度（Absolute Accuracy）和相对精度（）和相对精度（Relative Accuracy）n（3）线性误差和微分线性误差）线性误差和微分线性误差n（4）数据转换器的温度系数。分温度系数）数据转换器的温度系数。分温度系数（Temperature Coefficient）和增益温度系数）和增益温度系数（Gain Temperature Coefficient）n（5）建立时间（）建立时间（Settling Time），在数字输入端发），在数字输入端发生满量程码的变化以后，生满量程码的变化以后，D/A的模拟输出稳定到最终的模拟输出稳定到最终值值1/2LSB时，所需要的时间。时，所需要的时间。n（6）电源敏感度（）电源敏感度（Power Supply Senstivity）n（7）输出电压一致性（顺从性）（）输出电压一致性（顺从性）（Output Voltage Compliance）n1DAC-0832原理及应用原理及应用n主要性能指标主要性能指标n8位，单极性，数据线与位，单极性，数据线与TTL兼容；兼容；n二级数据锁存（第一级为输入锁存）；二级数据锁存（第一级为输入锁存）；n20脚双列直插式封装（脚双列直插式封装（DIP封装）。（宽小型：封装）。（宽小型：SO封装封装）引脚介绍：nDI0-DI7：8位数据输入端，为位数据输入端，为MSB位；位；nILE：数据允许锁存信号，高电平有效；：数据允许锁存信号，高电平有效；nCS：输入寄存器选择信号，低电平有效，它和：输入寄存器选择信号，低电平有效，它和ILE信信号一起来决定是否起作用；号一起来决定是否起作用；nWR1：输入寄存器的写选通信号；：输入寄存器的写选通信号；nXFER：传送控制信号；：传送控制信号；nWR2：DAC寄存器的写选通信号，必须和寄存器的写选通信号，必须和XFER同时同时有效；有效；nIOUT1：D/A转换器输出电流端之一。转换器输出电流端之一。DAC锁存的数锁存的数据位为据位为“1”的位电流均流出此端；当的位电流均流出此端；当DAC锁存器各锁存器各位全位全1时，输出电流最大，全时，输出电流最大，全0时输出为时输出为0；nIOUT2：D/A转换器输出电流端之二。与转换器输出电流端之二。与IOUT1是互是互补关系；补关系；nRbf：内备的反馈电阻引出端，另一端在片内与相：内备的反馈电阻引出端，另一端在片内与相接，芯片内部已提供一个反馈电阻，约；接，芯片内部已提供一个反馈电阻，约；nVref：基准电压源输入端，此端可以接正电压，：基准电压源输入端，此端可以接正电压，也可接负电压，供解码网用也可接负电压，供解码网用-10-+10；nVCC：芯片供电电源引入端：芯片供电电源引入端;nAGND：模拟信号地，即模拟电路接地端；：模拟信号地，即模拟电路接地端；nDGND：数字量地。：数字量地。内部结构及控制原理MOVAL，80H；立即数；立即数OUT80H，AL；80H：地址，送入：地址，送入R1锁存存OUT81H，AL；传送，与送，与AL中数无关中数无关三、数三、数/模转换器芯片和微处理器的接模转换器芯片和微处理器的接口需要注意的问题口需要注意的问题n绝大多数所谓与微处理器兼容的转换器件都还需要配绝大多数所谓与微处理器兼容的转换器件都还需要配置一些用于地址译码、数据锁存和信号组合等方面的置一些用于地址译码、数据锁存和信号组合等方面的外加电路才能与微机协同工作。外加电路才能与微机协同工作。n数据线连接原则：不具备锁存器时，则需外加寄存器；数据线连接原则：不具备锁存器时，则需外加寄存器；具备锁存器时，不加寄存器具备锁存器时，不加寄存器nDAC位数位数 DBUS数据线宽度：数据线宽度：n数据线的连接方法（有选通控制端，可直接相连）；数据线的连接方法（有选通控制端，可直接相连）；n锁存器：第一级：二个寄存器以上，不足的需外加；锁存器：第一级：二个寄存器以上，不足的需外加；第二级：第二级：DAC锁存器。锁存器。3.数数/模转换器的应用模转换器的应用n1)单缓冲方式单缓冲方式n DAC0832工作在单缓冲方式下的一种连接电路工作在单缓冲方式下的一种连接电路.n 在实际应用中，经常需要用到一个有规律变化在实际应用中，经常需要用到一个有规律变化的电压去控制某个过程。可以利用的电压去控制某个过程。可以利用D/A转换器产转换器产生各种波形，如方波、三角波、锯齿波以及它们生各种波形，如方波、三角波、锯齿波以及它们的复合波形和不规则波形等。的复合波形和不规则波形等。n 锯齿波锯齿波n MOV DX，0FFFOHn MOV AL，00HnL1：OUT DX，ALn INC ALn JMP L1n三角波三角波n MOV DX，0FFF0Hn MOV AL，00HnL1：OUT DX，ALn INC ALn JNZ L1n MOV AL，0FFHnL2：OUT DX，ALn DEC ALn JNZ L2n JMP L1n 方波方波n MOV DX，0FFF0HnL1：MOV AL，00Hn OUT DX，ALn CALL DELAYn MOV AL，0FFHn OUT DX，ALn CALL DELAYn JMP L12)双缓冲方式双缓冲方式DAC0832工作于双缓冲方工作于双缓冲方式的连接电路图如图所式的连接电路图如图所示。示。CPU执行第一条输执行第一条输出指令，将数据输入输出指令，将数据输入输入寄存器，第二条输出入寄存器，第二条输出指令，将输入寄存器的指令，将输入寄存器的数据输入数据输入DAC寄存器。寄存器。这两条输出指令所用的这两条输出指令所用的地址是不同的。地址是不同的。6.6.3 模模/数转换芯片（数转换芯片（ADC）及其接）及其接口技术口技术n一、一、A/D的工作原理的工作原理n按被转换的模拟量类型可分为时间按被转换的模拟量类型可分为时间/数字、电压数字、电压/数字、机械变量数字、机械变量/数字等。应用最多的是电压数字等。应用最多的是电压/数数字转换器。电压字转换器。电压/数字转换器又可分为多种类型：数字转换器又可分为多种类型：n按转换方式可分为：直接转换、间接转换。按输按转换方式可分为：直接转换、间接转换。按输出方式分可分为：并行、串行、串并行。出方式分可分为：并行、串行、串并行。n按转换原理可分为：计数式、比较式。按转换原理可分为：计数式、比较式。n按转换速度可分为：低速、中速、高速。按转换按转换速度可分为：低速、中速、高速。按转换精度和分辨率可分为：精度和分辨率可分为：3位、位、4位、位、8位、位、10位、位、12位、位、14位、位、16位等等位等等 计数器对时钟脉冲加计数器对时钟脉冲加1计计数，产生从数，产生从0开始的数开始的数字量，经字量，经D/A转换器转转换器转换成模拟电压换成模拟电压V0，V0和待转换电压和待转换电压Vi进行比进行比较，若较，若ViVo则则Vc=l，继续计数：若继续计数：若ViVo则则输出输出Vc=0，停止计数，停止计数，计数器输出的数字量与计数器输出的数字量与输入模拟电压输入模拟电压Vi相等效相等效的数字量。的数字量。三、三、A/D的性能参数和术语的性能参数和术语n1分辨率分辨率n2量化误差量化误差:在在A/D转换中整量化所产生的误差。转换中整量化所产生的误差。n3转换时间转换时间:指指A/D完成一次转换所需要的时间。完成一次转换所需要的时间。n4绝对精度绝对精度:绝对精度指的是绝对精度指的是A/D转换器的输出端转换器的输出端所产生的数字代码中，分别对应于实际需要的模所产生的数字代码中，分别对应于实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差n5相对精度相对精度:相对精度指的是满度值校准以后，相对精度指的是满度值校准以后，任一数字输出所对应的实际模拟输入值（中间值）任一数字输出所对应的实际模拟输入值（中间值）与理论值（中间值）之差。与理论值（中间值）之差。n6漏码漏码:如果模拟输入连续增加（或减小）时，如果模拟输入连续增加（或减小）时，数字输出不是连续增加（或减小）而是越过某一数字输出不是连续增加（或减小）而是越过某一个数字，即出现漏码。个数字，即出现漏码。四、四、A/D芯片芯片ADC0808（0809）n1、主要性能指标、主要性能指标n2、原理图及控制原理、原理图及控制原理n模拟量输入；模拟量输入；A/D转换器；转换器；数据输出数据输出n3、引脚介绍：、引脚介绍：nVCC：主电源输入端。：主电源输入端。nREF（+）、）、REF（-）：基准电源输入端，使用）：基准电源输入端，使用中中REF（-）一般接地，）一般接地，REF（+）最大可接，要）最大可接，要求不高时，求不高时，REF（+）接的电源。）接的电源。nGND：模拟地数字地共用的接地端。：模拟地数字地共用的接地端。nCLK：时钟输入引脚，时钟频率范围，典型值，：时钟输入引脚，时钟频率范围，典型值，此时转换时间约为。此时转换时间约为。nIN0-IN7：8路模拟量单极性电压的输入引脚路模拟量单极性电压的输入引脚。nADD A、ADD B、ADD C：8选选1模拟开关的三位模拟开关的三位通道地址输入端。用来选择对应的输入通道通道地址输入端。用来选择对应的输入通道.比如比如CBA=011，则选中引脚的输入电压。，则选中引脚的输入电压。C、B、A通通常与系统地址总线相连的常与系统地址总线相连的.nALE：为通道地址锁存允许选通控制端，输入上：为通道地址锁存允许选通控制端，输入上跳沿有效；它有效时，跳沿有效；它有效时，C、B、A的通道地址值才的通道地址值才能进入通道地址锁存器，能进入通道地址锁存器，ALE下跳为低电平（无下跳为低电平（无效）时，锁存器锁存进入的通道地址。效）时，锁存器锁存进入的通道地址。nSTART：启动：启动A/D转换控制引脚，由高电平下跳转换控制引脚，由高电平下跳为低电平时有效；即对该引脚输入正脉冲下跳沿为低电平时有效；即对该引脚输入正脉冲下跳沿后，后，ADC开始逐次比较；也可将开始逐次比较；也可将START与与ALE连连接在一起使用，安排一个接在一起使用，安排一个CPU写端口地址；正脉写端口地址；正脉冲上升沿通道地址（码）被写入通道地址锁存器，冲上升沿通道地址（码）被写入通道地址锁存器，下降沿启动下降沿启动A/D转换转换.nEOC：ADC转换状态输出信号引脚；未启动转换转换状态输出信号引脚；未启动转换时，时，EOC为高电平，启动转换后，正在逐次逼近为高电平，启动转换后，正在逐次逼近比较期间比较期间EOC为低电平，低电平持续时间为为低电平，低电平持续时间为A/D转换时间，约（与时钟频率有关），一旦转换完转换时间，约（与时钟频率有关），一旦转换完毕，毕，EOC端上跳为高电平，此信号可供端上跳为高电平，此信号可供CPU查询查询或向或向CPU发中断。发中断。nDB7DB0：8位数字量输出引脚，它是三态输位数字量输出引脚，它是三态输出数据锁存器的输出引脚，未选通时，出数据锁存器的输出引脚，未选通时，8个引脚对个引脚对片内均为高阻断开；可与系统数据总线直接相连。片内均为高阻断开；可与系统数据总线直接相连。nOE：数字量输出允许控制端，输入正脉冲有效；：数字量输出允许控制端，输入正脉冲有效；有效时，数据输出三态门被打开，转换好的数字有效时，数据输出三态门被打开，转换好的数字量各位被送到引脚上；无效时，浮空（高阻隔离）量各位被送到引脚上；无效时，浮空（高阻隔离）4、接口电路软、硬件设计举例（1）A/D转换器与系统连接时需考虑的问题转换器与系统连接时需考虑的问题 n 数据输出线的连接数据输出线的连接 n 模拟输入电压的连接模拟输入电压的连接 n A/D转换的启动信号转换的启动信号n 转换结束信号的处理方式转换结束信号的处理方式 n 时钟的提供时钟的提供 n 参考电压的接法。参考电压的接法。n（2）当当A/D转换结束，转换结束，ADC输出一个转换结束信号输出一个转换结束信号数据。数据。CPU可有多种方法读取转换结果：可有多种方法读取转换结果：n 查询方式查询方式；n 中断方式；中断方式；n 延时方式；延时方式；n nADC0808/9与与CPU接口（查询法）接口（查询法）n例：假设仅对模拟通道例：假设仅对模拟通道IN0进行进行A/D转换。采用查询方转换。采用查询方式的程序如下（对式的程序如下（对0通道采样一个点），接口电路程通道采样一个点），接口电路程序如下序如下nOUT 50H，AL ；选通；选通IN0启动启动A/D转换转换n W：IN AL，41H ；输入；输入EOC标志标志n TEST AL，01Hn JZ W ；未结束，返回等待；未结束，返回等待n IN AL，49H ；结束，把结果送入；结束，把结果送入AL中中n2、若对、若对IN0IN7这这8个通道的模拟量各采样个通道的模拟量各采样100个点，个点，并转换成数字量的采用查询方式的程序段如下：并转换成数字量的采用查询方式的程序段如下：n MOV BX，OFFSET WP；设置数据存储指；设置数据存储指针针n MOV CL，100 ；设置计数初值；设置计数初值n N：MOV DX，0050Hn P：OUT DX，AL ；选通一个通道，启；选通一个通道，启动动A/Dn NOPnW：IN AL，41H ；输入；输入EOC标志标志n TEST AL，0lH ；测试状态；测试状态n JZ W ；未结束，返回等待；未结束，返回等待n nIN AL，49H ；结束，读数据；结束，读数据n MOV BX，AL ；存数；存数n INC BX ；修改存储地址指针；修改存储地址指针n INC DX ；修改；修改A/D通道地址通道地址n CMP DX，0058H ；判断八个通道是否转；判断八个通道是否转换完换完n JNZ P ；未完，返回启动新通道；未完，返回启动新通道n DEC CL ；100个点是否采样完了，未个点是否采样完了，未完返回再启动完返回再启动IN0通道通道n JNZ Nn HLT ；100个点完成，暂停个点完成，暂停nA/D芯片和芯片和CPU间的时序配合问题间的时序配合问题n 固定延时等待法固定延时等待法n 保持等待法保持等待法n 中断响应法中断响应法 n 查询法查询法n 双重缓冲法双重缓冲法nA/D分辨率超过微处理器数据总线位数时的接口分辨率超过微处理器数据总线位数时的接口nADC的控制和状态信号的控制和状态信号n 启动信号（启动信号（START）n 转换结束信号（转换结束信号（EOC或或READY或或BUSY）n 输出允许信号（输出允许信号（OUTPUT ENABLE）ADC0809芯片和系统的连接举例芯片和系统的连接举例 n设某系统对设某系统对8路模拟量分时进行数据采集，选用路模拟量分时进行数据采集，选用ADC0809芯片进行芯片进行A/D转换，转换结果采用查询方式转换，转换结果采用查询方式传送，所以除了一个传送转换结果的输入端口外，还传送，所以除了一个传送转换结果的输入端口外，还需要传送需要传送8个模拟量的选择信号和个模拟量的选择信号和A/D转换的状态信息。转换的状态信息。因此，可以采用因此，可以采用8255A作为作为ADC0809和和CPU的连接的连接接口，将接口，将A口设为方式口设为方式0的输入方式，用于传送转换结的输入方式，用于传送转换结果，果，B口不用，用口不用，用C口的口的PC2PC0输出输出8路模拟量的路模拟量的选择信号，选择信号，PC3输出输出ADC0809的控制信号，而的控制信号，而ADC0809的状态可由的状态可由PC7输入，所以，将输入，所以，将C口也设为口也设为方式方式0，低，低4位为输出方式，高位为输出方式，高4位为输入方式。位为输入方式。n现假设现假设8255A的端口的端口A、B、C及控制口地址分别及控制口地址分别为为2F0H，2F1H，2F2H和和2F3H，A/D转换结果的转换结果的存储区首地址设为存储区首地址设为400H。采样顺序从。采样顺序从IN0IN7。程序如下：程序如下：n MOV DX，2F3H ；2F3H是是8255的控制口的控制口n MOV AL，10011000B；置；置A组，组，B组为方式组为方式n 0，A口和口和C口高口高4位位n OUT DX，AL ；输入，；输入，C口低口低4位输出位输出n MOV SI,400H ；存放数据首地址；存放数据首地址n MOV CX，08Hn MOV BH，00HnLOPl：OR BH，08Hn MOV AL，BHn MOV DX，2F2H ；8255C口地址口地址n OUT DX，AL ；启动；启动A/D转换转换n AND BH，0F7HH ；PC3置置0n MOV AL，BHn OUT DX，AL ；产生；产生START和和ALE的的n 下降沿下降沿nLOP2：IN AL，DX ；读入；读入C口口n TEST AL，80H ；测试；测试K7p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后谢谢你的到来学习并没有结束，希望大家继续努力Learning Is Not Over.I Hope You Will Continue To Work Hard演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日