微機(jī)原理課件-第8章

1、Ch.8 模擬量的輸入輸出,本章內(nèi)容模擬量輸入輸出通道的組成A/D轉(zhuǎn)換器原理及連接使用方法,,模擬量I/O接口的作用：實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境——連續(xù)變化的模擬量 例如：電壓、電流、壓力、溫度、位移、流量 計(jì)算機(jī)內(nèi)部——離散的數(shù)字量二進(jìn)制數(shù)、十進(jìn)制數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的閉環(huán)控制,概述,模擬量,,D/A,傳感器,執(zhí)行元件,,,,,A/D,數(shù)字量,數(shù)字量,模擬量,,,模擬量輸入(數(shù)據(jù)采集),模擬量輸出(過(guò)程控制),計(jì)算機(jī),8.1 模擬

2、量I/O通道的組成,模擬接口電路的任務(wù),模擬電路的任務(wù),00101101,10101100,,,,,工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程,傳感器,放大濾波,多路轉(zhuǎn)換&采樣保持,A/D轉(zhuǎn)換,放大驅(qū)動(dòng),D/A轉(zhuǎn)換,輸出接口,微型計(jì)算機(jī),執(zhí)行機(jī)構(gòu),輸入接口,,,,,,,,,,,,物理量變換,信號(hào)處理,信號(hào)變換,I/O接口,,,,,,,輸入通道,輸出通道,模擬量輸入通道,傳感器（Transducer）

3、非電量→電壓、電流 變送器（Transformer）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)信號(hào)處理（Signal Processing）放大、整形、濾波 多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（Multiplexer） 多選一采樣保持電路（Sample Holder，S/H）保證變換時(shí)信號(hào)恒定不變A/D變換器（A/D Converter）模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,模擬量輸出通道,D/A變換器（D/A Converter）數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量低通濾波平滑輸出波形

4、放大驅(qū)動(dòng)提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓，電流,8.3 模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器,用途將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或數(shù)字化聲音。A/D轉(zhuǎn)換的四個(gè)步驟采樣→保持→量化→編碼采樣/保持：由采樣保持電路（S/H）完成量化/編碼：由ADC電路完成（ADC：AD變換器）,1) 采樣和保持,采樣將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)為時(shí)間上斷續(xù)變化的（離散的）模擬量?；颍喊岩粋€(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一

5、個(gè)脈沖串，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。保持將采樣得到的模擬量值保持下來(lái)，使之等于采樣控制脈沖存在的最后瞬間的采樣值。目的： A/D轉(zhuǎn)換期間保持采樣值恒定不變。對(duì)于慢速變化的信號(hào)，可省略采樣保持電路,采樣保持電路（S/H）,由MOS管采樣開(kāi)關(guān)T、保持電容Ch和運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器三部分組成。,采樣控制信號(hào)S(t)=1時(shí)，T導(dǎo)通，Vin向Ch充電，Vc和Vout跟蹤Vin變化，即對(duì)Vin采樣。S(t)=0時(shí)，T截止，Vout將保持前一

6、瞬間采樣的數(shù)值不變。,采樣保持電路的波形,,Vin,S(t),,,,Vout,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)所用的輸入電壓，就是對(duì)保持下來(lái)的采樣電壓（每次采樣結(jié)束時(shí)的輸入電壓）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。,采樣周期的確定,采樣通常采用等時(shí)間間隔采樣。采樣頻率fs不能低于2fimax（fimax為輸入信號(hào)Vin的最高次諧波分量的頻率）；fs的上限受計(jì)算機(jī)的速度、存儲(chǔ)容量、器件速度的限制。

7、實(shí)際中一般取fs為fimax的4-5倍。,2) 量化和編碼,量化就是用基本的量化電平的個(gè)數(shù)來(lái)表示采樣到模擬電壓值。即把時(shí)間上離散而數(shù)值上連續(xù)的模擬量以一定的準(zhǔn)確度變換為時(shí)間上、數(shù)值上都離散的具有標(biāo)準(zhǔn)量化級(jí)的等效數(shù)字值。（量化電平的大小取決于A/D變換器的字長(zhǎng)）只有當(dāng)電壓值正好等于量化電平的整數(shù)倍時(shí)，量化后才是準(zhǔn)確值，否則量化后的結(jié)果都只能是輸入模似量的近似值。這種由于量化而產(chǎn)生的誤差叫做量化誤差。量化誤差是由于量化電平的有限性造成的，

8、所以它是原理性誤差，只能減小，而無(wú)法消除。為減小量化誤差，根本的辦法是減小量化電平（即增加字長(zhǎng)）。編碼是把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值(它一定是量化電平的整數(shù)倍)用二進(jìn)制碼、BCD碼或其它碼來(lái)表示。,A/D轉(zhuǎn)換器的分類,根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換原理和特點(diǎn)的不同，可把ADC分成兩大類：直接ADC和間接ADC。直接ADC是將模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有：逐次逼近式ADC、計(jì)數(shù)式ADC、并行轉(zhuǎn)換式ADC等。 間接ADC是將模擬電壓先轉(zhuǎn)換成中間量，如

9、脈沖周期T、脈沖頻率f、脈沖寬度τ等，再將中間量變成數(shù)字量。常見(jiàn)的有：?jiǎn)畏e分式ADC、雙積分式ADC，V/F轉(zhuǎn)換式ADC等。,各種ADC的優(yōu)缺點(diǎn),計(jì)數(shù)式ADC：最簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)換速度最慢。并行轉(zhuǎn)換式ADC：速度最快，但成本最高。逐次逼近式ADC：轉(zhuǎn)換速度和精度都比較高，且比較簡(jiǎn)單，價(jià)格低，所以在微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用。雙積分式ADC：轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度慢，一般應(yīng)用在精度高而速度不高的場(chǎng)合，如測(cè)量?jī)x表。V/F轉(zhuǎn)換式

10、ADC：在轉(zhuǎn)換線性度、精度、抗干擾能力等方面有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，且接口簡(jiǎn)單、占用計(jì)算機(jī)資源少，缺點(diǎn)也是轉(zhuǎn)換速度慢。在一些輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大或傳輸距離較遠(yuǎn)的低速過(guò)程的模擬輸入通道中應(yīng)用較為廣泛。,8.3.1 工作原理及技術(shù)指標(biāo),逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)：由D/A轉(zhuǎn)換器、比較器和逐次逼近寄存器SAR組成。見(jiàn)P360(340)頁(yè)圖。,,,VIN,-,+,,,,逐次逼近寄存器,,8位 D/A轉(zhuǎn)換器,,,,,,,,,,,,,,,Vc,比較器,,,

11、,數(shù)字量輸出,,,,,,,,,置位/復(fù)位控制電路,,,,模擬量輸入,,,,,D0~D7,置數(shù)選擇邏輯,,,脈沖源,工作原理,類似天平稱重量時(shí)的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量去逼近被稱物體。 例如：用8個(gè)砝碼20g，21g，…，27g，可以稱出1～255g之 間的物體?，F(xiàn)有一物體，用砝碼稱出其重量（假定重量為176g）。,1）ADC從高到低逐次給SAR的每一位“置1”（即加上不同權(quán)重的砝碼），SAR相當(dāng)于放法碼的稱盤(pán)；2）每次SAR中

12、的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為電壓VC ；3）VC與輸入電壓Vi比較，若VC≤Vi，保持當(dāng)前位的‘1’，否則當(dāng)前位‘置0’；4）從高到低逐次比較下去，直到SAR的每一位都嘗試完；5）SAR內(nèi)的數(shù)據(jù)就是與Vi相對(duì)應(yīng)的2進(jìn)制數(shù)。,主要技術(shù)指標(biāo),精度 量化間隔(分辨率) = Vmax/電平數(shù)(即滿量程值) 例：某8位ADC的滿量程電壓為5V，則其分辨率為 5V/255=19.6mV 量化誤差: 用數(shù)字（離散）量表示連續(xù)量時(shí)

13、，由于數(shù)字量字長(zhǎng)有限而無(wú)法精確地表示連續(xù)量所造成的誤差。(字長(zhǎng)越長(zhǎng)，精度越高)絕對(duì)量化誤差 = 量化間隔/2 = (滿量程電壓/(2n-1))/2相對(duì)量化誤差 = 1/2 * 1/量化電平數(shù)目 * 100%例：滿量程電壓=10V，A/D變換器位數(shù)=10位，則 絕對(duì)量化誤差 ≈ 10/211 = 4.88mV 相對(duì)量化誤差 ≈ 1/211 *100% = 0.049%,主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）,轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換一

14、次需要的時(shí)間。精度越高（字長(zhǎng)越長(zhǎng)），轉(zhuǎn)換速度越慢。輸入動(dòng)態(tài)范圍允許轉(zhuǎn)換的電壓的范圍。如0～5V、-5V～+5V、 0～10V等。,典型的A/D轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介,ADC08098通道（8路）輸入8位字長(zhǎng) 逐位逼近型轉(zhuǎn)換時(shí)間100μs 內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器（可直接接到數(shù)據(jù)總線上）外部引腳見(jiàn)教材p359,引腳功能,D7～D0：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）IN0～I(xiàn)N7：8通道（路）模擬輸入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道選擇）

15、ALE：通道地址鎖存START：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束，可用于查詢或作為中斷申請(qǐng)OE：輸出允許（打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)）CLK：時(shí)鐘輸入（10KHz～1.2MHz）VREF(+)、VREF(-)：基準(zhǔn)參考電壓,,,ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu),START EOC CLK,OE,D7D0,VREF(+) VREF(-),ADDCADDBADDAALE,IN0,IN7

16、,比較器,8路模擬開(kāi)關(guān),,,,樹(shù)狀開(kāi)關(guān),電阻網(wǎng)絡(luò),,,三態(tài)輸出鎖存器,,,,,,,,時(shí)序與控制,,地址鎖存及譯碼,,,,,,,,,,D/A,,8個(gè)模擬輸入通道,8選1,,,,,逐位逼近寄存器SAR,工作時(shí)序,①,②,③,④,⑤,ADC0809的工作過(guò)程,根據(jù)時(shí)序圖，ADC0809的工作過(guò)程如下：①把通道地址送到ADDA～ADDC上，選擇一個(gè)模擬輸入端； ②在通道地址信號(hào)有效期間，ALE上的上升沿使該地址鎖存到內(nèi)部地址鎖存器；③

17、START引腳上的下降沿啟動(dòng)A/D變換； ④變換開(kāi)始后，EOC引腳呈現(xiàn)低電平， EOC重新變?yōu)楦唠娖綍r(shí)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束；⑤OE信號(hào)打開(kāi)輸出鎖存器的三態(tài)門(mén)送出結(jié)果 。,ADC0809與系統(tǒng)的連接,模擬輸入端INi單路輸入模擬信號(hào)可連接到任何一個(gè)輸入端；地址線可根據(jù)輸入固定連接；也可以由CPU給一個(gè)固定地址。 多路輸入模擬信號(hào)按順序

18、分別連接到輸入端；要轉(zhuǎn)換哪一路輸入，就將其編號(hào)送到地址線上(動(dòng)態(tài)選擇)。,,單路輸入時(shí),,,,ADDCADDBADDA,,,,IN4,ADC0809,輸入,,多路輸入時(shí),,,,ADDCADDBADDA,,IN0IN1IN2IN3IN4,ADC0809,輸入0輸入1輸入2輸入3輸入4,,,,,,CPU指定通道號(hào),,+5V,地址線ADDA-ADDC多路輸入時(shí)，地址線不能固定連接到＋5V或地線，而是要通過(guò)一個(gè)接口

19、芯片與數(shù)據(jù)總線連接。接口芯片可以選用：鎖存器74LS273，74LS373等（要占用一個(gè)I/O地址）可編程并行接口8255（要占用四個(gè)I/O地址）CPU用一條OUT指令把通道地址通過(guò)接口芯片送給ADC0809,用鎖存器作為ADC0809的接口,用8255作為ADC0809的接口,,,數(shù)據(jù)輸出線D0-D7內(nèi)部已接有三態(tài)門(mén)，故可直接連到DB上也可另外通過(guò)一個(gè)外部三態(tài)門(mén)與DB相連上述兩種方法均需占用一個(gè)I/O地址,,D0-D7,A

20、DC0809,DB,OE,來(lái)自I/O譯碼,,,,D0-D7,ADC0809,DB,OE,來(lái)自I/O譯碼,,,直接與DB相連,通過(guò)三態(tài)門(mén)與DB相連,,74LS244,+5V,,DI,DO,E1#E2#,,,,地址鎖存信號(hào)ALE和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)START兩種連接方法：分別連接：用兩個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行控制——需占用兩個(gè)I/O端口或兩個(gè)I/O線(用8255時(shí))；統(tǒng)一連接：用一個(gè)脈沖信號(hào)的上升沿進(jìn)行地址鎖存，下降沿實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換——只需占用一個(gè)I

21、/O端口或一個(gè)I/O線(用8255時(shí))，參見(jiàn)教材p362圖。,,ADC0809,ALESTART,,獨(dú)立連接,,來(lái)自I/O譯碼1,來(lái)自I/O譯碼2,,ADC0809,ALESTART,,統(tǒng)一連接,,,來(lái)自I/O譯碼,,轉(zhuǎn)換結(jié)束EOC軟件延時(shí)等待(比如延時(shí)1ms)——不用EOC信號(hào)CPU效率最低，只能按最大轉(zhuǎn)換時(shí)間延時(shí)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)軟件查詢EOC狀態(tài)EOC通過(guò)一個(gè)三態(tài)門(mén)連到數(shù)據(jù)總線的D0(或D1、D2等)三態(tài)門(mén)要占用一

22、個(gè)I/O端口地址CPU效率低把EOC作為中斷申請(qǐng)信號(hào)，向CPU申請(qǐng)中斷在中斷服務(wù)程序中讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果，效率高,,D0,IN0,,A15-A0IOR#IOW#,,,D7-D0,D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA,,,,,,,,譯碼器,,,,,,,,,,,,,,ADC0809,一個(gè)連接實(shí)例（用查詢方式）,,模擬信號(hào)輸入,進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換的程序(以上圖為例),用延時(shí)等待的

23、方法……MOV DX, start_portOUT DX, AL ;啟動(dòng)轉(zhuǎn)換CALL DELAY_1MS ;延時(shí)1msMOV DX, oe_portIN AL, DX ;讀入結(jié)果……,用查詢EOC狀態(tài)的方法 ……MOVDX, start_portOUTDX, AL ;啟動(dòng)轉(zhuǎn)換LL: MO