模拟量输入输出.ppt

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8模拟量的输入输出模拟量的输入输出n本章内容本章内容n模拟量输入输出通道的组成模拟量输入输出通道的组成nD/A转换器转换器n原理及连接使用方法原理及连接使用方法nA/D转换器转换器n原理及连接使用方法原理及连接使用方法n模拟量模拟量I/O接口的作用：

接口的作用：

n实际工业生产环境实际工业生产环境连续变化的模拟量连续变化的模拟量n例如：

电压、电流、压力、温度、位移、流量例如：

电压、电流、压力、温度、位移、流量n计算机内部计算机内部离散的数字量离散的数字量n二进制数、十进制数二进制数、十进制数n工业生产过程的闭环控制工业生产过程的闭环控制概述概述模拟量模拟量D/A传感器传感器执行元件执行元件A/D数字量数字量数字量数字量模拟量模拟量模拟量输入模拟量输入（数据采集数据采集）模拟量输出模拟量输出（过程控制过程控制）计算机计算机8.1模拟量模拟量I/O通道的组成通道的组成模拟接口电路的任务模拟接口电路的任务模拟电路的任务模拟电路的任务0010110110101100工工业业生生产产过过程程传传感感器器放大放大滤波滤波多路转换多路转换&采样保持采样保持A/D转换转换放大放大驱动驱动D/A转换转换输出输出接口接口微微型型计计算算机机执行执行机构机构输入输入接口接口物理量物理量变换变换信号信号处理处理信号信号变换变换I/O接口接口输入通道输入通道输出通道输出通道模拟量输入通道模拟量输入通道n传感器（传感器（Transducer）n非电量非电量电压、电流电压、电流n变送器（变送器（Transformer）n转换成标准的电信号转换成标准的电信号n信号处理（信号处理（SignalProcessing）n放大、整形、滤波放大、整形、滤波n多路转换开关（多路转换开关（Multiplexer）n多选一多选一n采样保持电路（采样保持电路（SampleHolder，S/H）n保证变换时信号恒定不变保证变换时信号恒定不变nA/D变换器（变换器（A/DConverter）n模拟量转换为数字量模拟量转换为数字量模拟量输出通道模拟量输出通道nD/A变换器（变换器（D/AConverter）n数字量转换为模拟量数字量转换为模拟量n低通滤波低通滤波n平滑输出波形平滑输出波形n放大驱动放大驱动n提供足够的驱动电压，电流提供足够的驱动电压，电流8.2数数/模（模（D/A）变换器）变换器n8.2.1D/A变换器的基本原理及技术指标变换器的基本原理及技术指标nD/A变换器的基本工作原理变换器的基本工作原理n组成：

模拟开关、组成：

模拟开关、电阻网络电阻网络、运算放大器、运算放大器n两种电阻网络：

权电阻网络、两种电阻网络：

权电阻网络、R-2R梯形电阻网络梯形电阻网络n基本结构如图：

基本结构如图：

VrefRf模拟开关模拟开关电阻网络电阻网络VO数字量数字量D/A变换原理变换原理n运放的放大倍数足够大时，输出电压运放的放大倍数足够大时，输出电压Vo与输与输入电压入电压Vin的关系为：

的关系为：

式中：

式中：

Rf为反馈电阻为反馈电阻R为输入电阻为输入电阻VinRfVoRn若输入端有若输入端有n个支路个支路,则输出电压则输出电压VO与输入与输入电压电压Vi的关系为：

的关系为：

VinRfVOR1式中：

式中：

Ri为第为第i支路的输支路的输入电阻入电阻Rnn令每个支路的输入电阻为令每个支路的输入电阻为2iRf,并令并令Vin为一为一基准电压基准电压Vref，则有，则有n如果每个支路由一个开关如果每个支路由一个开关Si控制，控制，Si=1表示表示Si合上，合上，Si=0表示表示Si断开，则上式变换为断开，则上式变换为若若Si=1,该项对该项对VO有贡献有贡献若若Si=0,该项对该项对VO无贡献无贡献2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRfVOS1S2S3S4S5S6S7S8n与上式相对应的电路如下与上式相对应的电路如下（图中图中n=8）：

n图中的电阻网络就称为图中的电阻网络就称为权电阻网络权电阻网络n如果用如果用8位二进制代码来控制图中的位二进制代码来控制图中的S1S8（Di=1时时Si闭合；闭合；Di=0时时Si断开断开），那么根据，那么根据二进制代码的不同，输出电压二进制代码的不同，输出电压VO也不同，也不同，这就构成了这就构成了8位的位的D/A转换器。

转换器。

n可以看出，当代码在可以看出，当代码在0FFH之间变化时，之间变化时，VO相应地在相应地在0-（255/256）Vref之间变化。

之间变化。

n为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的际的D/A转换器采用转换器采用R-2R梯形电阻网络梯形电阻网络（见见下页下页），它只用两种阻值的电阻，它只用两种阻值的电阻（R和和2R）。

R-2R梯形电阻网络梯形电阻网络D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标n分辨率（分辨率（Resolution）n输入的二进制数每1个最低有效位个最低有效位（LSB）使输出变化的程度。

n一般用输入数字量的位数来表示:

如8位、10位例：

一个满量程为例：

一个满量程为5V的的10位位DAC，1LSB的变化将使输出变化的变化将使输出变化5/（210-1）=5/1023=0.004888V=4.888mVn转换精度（误差）转换精度（误差）n实际输出值与理论值之间的最大偏差。

n一般用最小量化阶来度量，如1/2LSB也可用满量程的百分比来度量，如0.05%FSRLSB:

LeastSignificantBitFSR:

FullScaleRange）n转换时间转换时间n从开始转换到与满量程值相差1/2LSB所对应的模拟量所需要的时间tV1/2LSBtCVFULL08.2.2典型典型D/A转换器转换器nDAC0832n特性：

n8位电流输出型D/A转换器nT型电阻网络n差动输出n引线图见教材DAC0832内部结构内部结构引脚功能引脚功能nD7D0：

输入数据线nILE：

输入锁存允许nCS#：

片选信号用于把数据写入到输入锁存器用于把数据写入到输入锁存器nWR1#：

写输入锁存器nWR2#：

写DAC寄存器nXFER#：

允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器上述二个信号用于启动转换上述二个信号用于启动转换nVREF：

参考电压，-10V+10V，一般为+5V或+10VnIOUT1、IOUT2：

D/A转换差动电流输出，接运放的输入nRfb：

内部反馈电阻引脚，接运放输出nAGND、DGND：

模拟地和数字地工作时序工作时序nD/A转换可分为两个阶段：

转换可分为两个阶段：

nCS#=0、WR1#=0、ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器；，使输入数据锁存到输入寄存器；nWR2#=0、XFER#=0，数据传送到，数据传送到DAC寄存器，并开始转换。

寄存器，并开始转换。

写输入写输入寄存器寄存器写写DAC寄存器寄存器工作方式工作方式n单缓冲方式单缓冲方式n使输入锁存器或使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通寄存器二者之一处于直通。

CPU只需一次写入即开始转换。

控制比较简单。

见教材p352图。

n双缓冲方式（标准方式）双缓冲方式（标准方式）n转换要有两个步骤：

n将数据写入输入寄存器nCS#=0、WR1#=0、ILE=1n将输入寄存器的内容写入DAC寄存器nWR2#=0、XFER#=0n优点：

数据接收与D/A转换可异步进行；可实现多个DAC同步转换输出分时写入、同步转换n直通方式直通方式n使内部的两个寄存器都处于直通状态。

模拟输出始终跟随输入变化。

n不能直接与数据总线连接不能直接与数据总线连接，需外加并行接口（如74LS373、8255等）。

双缓冲方式双缓冲方式同步转换举例同步转换举例A10-A0译码器译码器0832-10832-2port1port2port3双缓冲方式的程序段示例双缓冲方式的程序段示例本例中三个端口地址的用途：

port1选择选择0832-1的输入寄存器的输入寄存器port2选择选择0832-2的输入寄存器的输入寄存器port3选择选择0832-1和和0832-2的的DAC寄存器寄存器MOVAL，data;要转换的数据送ALMOVDX，port1;0832-1的输入寄存器地址送DXOUTDX，AL;数据送0832-1的输入寄存器MOVDX，port2;0832-2输入寄存器地址送DXOUTDX，AL;数据送0832-2的输入寄存器MOVDX，port3;DAC寄存器端口地址送DXOUTDX，AL;数据送DAC寄存器，并启动同步转换HLTD/A转换器的应用转换器的应用n函数发生器函数发生器n只要往D/A转换器写入按规律变化的数据，即可在输出端获得正弦波、三角波、锯齿波、方波、阶梯波、梯形波等函数波形。

n直流电机的转速控制直流电机的转速控制n用不同的数值产生不同的电压，控制电机的转速n其他需要用电压/电流来进行控制的场合例子参见p354-p356。

8.3模模/数（数（A/D）转换器）转换器n用途用途n将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便于计算机进行处理。

n常用于数据采集系统或数字化声音。

nA/D转换的四个步骤转换的四个步骤n采样保持量化编码n采样/保持：

由采样保持电路（S/H）完成n量化/编码：

由ADC电路完成（ADC：

AD变换器）1）采样和保持采样和保持n采样n将一个时间上连续变化的模拟量转为时间上断续变化的将一个时间上连续变化的模拟量转为时间上断续变化的（离散的）模拟量。

（离散的）模拟量。

n或：

把一个时间上连续变化的模拟量转换为一个脉冲串，或：

把一个时间上连续变化的模拟量转换为一个脉冲串，脉冲的幅度取决于输入模拟量。

脉冲的幅度取决于输入模拟量。

n保持n将采样得到的模拟量值保持下来，使之等于采样控制脉将采样得到的模拟量值保持下来，使之等于采样控制脉冲存在的最后瞬间的采样值。

冲存在的最后瞬间的采样值。

n目的：

目的：

A/D转换期间保持采样值恒定不变。

转换期间保持采样值恒定不变。

n对于慢速变化的信号，可省略采样保持电路采样保持电路（采样保持电路（S/H）n由MOS管采样开关T、保持电容Ch和运放构成的跟随器三部分组成。

n采样控制信号S（t）=1时，T导通，Vin向Ch充电，Vc和Vout跟踪Vin变化，即对Vin采样。

S（t）=0时，T截止，Vout将保持前一瞬间采样的数值不变。

ChTVoutVin采样控制采样控制S（t）采样保持电路的波形采样保持电路的波形VinS（t）Voutn进行A/D转换时所用的输入电压，就是对保持下来的采样电压（每次采样结束时的输入电压）进行转换。

采样周期的确定采样周期的确定n采样通常采用等时间间隔采样。

n采样频率fs不能低于2fimax（fimax为输入信号Vin的最高次谐波分量的频率）；nfs的上限受计算机的速度、存储容量、器件速度的限制。

n实际中一般取fs为fimax的4-5倍。

2）量化和编码量化和编码n量化量化就是用基本的量化电平的个数来表示采样到模拟电压值。

就是用基本的量化电平的个数来表示采样到模拟电压值。

即把时间上离散而数值上连续的模拟量以一定的准确度变换即把时间上离散而数值上连续的模拟量以一定的准确度变换为时间上、数值上都离散的具有标准量化级的等效数字值。

为时间上、数值上都离散的具有标准量化级的等效数字值。

（量化电平的大小取决于（量化电平的大小取决于A/D变换器的字长）变换器的字长）n只有当电压值正好等于量化电平的整数倍时，量化后才是准确值，否则量化后的结果都只能是输入模似量的近似值。

这种由于量化而产生的误差叫做量化误差。

量化误差是由于量化电平的有限性造成的，所以它是原理性误差，只能减小，而无法消除。

为减小量化误差，根本的办法是减小量化电平（即增加字长）。

n编码编码是把已经量化的模拟数值是把已经量化的模拟数值（它一定是量化电平的整数倍它一定是量化电平的整数倍）用二进制码、用二进制码、BCD码或其它码来表示。

码或其它码来表示。

A/D转换器的分类转换器的分类n根据根据A/D转换原理和特点的不同，可把转换原理和特点的