1、模拟量的输入输出,本章内容 模拟量输入输出通道的组成 *D/A转换器 原理及连接使用方法 *A/D转换器 原理及连接使用方法 数据采集 A/D、D/A接口设计要点,模拟量与数字量 实际生产环境连续变化的模拟量 例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量 计算机内部离散的数字量 二进制数表示 模拟量接口: 实现模拟和数字量之间的转换,概述,模拟量,D/A,传感器,执行元件,A/D,数字量,数字量,模拟量,模拟量输入 (数据采集),模拟量输出 (过程控制),计算机,6.1 模拟量输入输出通道组成,模拟接口电路的任务,模拟电路的任务,00101101,10101100,工 作 过 程,传感器,放大 滤
2、波,多路转换 & 采样保持,A/D 转换,放大 驱动,D/A 转换,输出 接口,微 型 计 算 机,执行机构,输入 接口,物理量 变换,信号 处理,信号 变换,I/O 接口,输入通道,输出通道,6.2 数/模（D/A）变换器,D/A变换器的基本原理及技术指标 D/A变换器的基本工作原理 组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器 两种电阻网络：权电阻网络、R-2R梯形电阻网络 基本结构如图：,Vref,Rf,模拟开关 电阻网络,VO,数字量,D/A变换原理,运放的开环放大倍数足够大时，输出电压VO与输入电压Vin的关系为：,式中：Rf 为反馈电阻 R 为输入电阻,Vin,Rf,VO,R,若输入端有n
3、个支路, 则输出电压VO与输入电压Vi的关系为：,Vin,Rf,VO,R1,式中：Ri 为第i支路的输 入电阻,Rn,令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一基准电压Vref，则有 如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为,若Si=1,该项对VO有贡献 若Si=0,该项对VO无贡献,2R 4R 8R 16R 32R 64R 128R 256R,Vref,Rf,VO,S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8,与上式相对应的电路如下(图中n=8)：,图中的电阻网络就称为权电阻网络,如果用8位二进制代码来控制图中的S1S8(Di=1时S
4、i闭合；Di=0时Si断开)，那么根据二进制代码的不同，输出电压VO也不同，这就构成了8位的D/A转换器。 可以看出，当代码在0FFH之间变化时，VO相应地在0-(255/256)Vref之间变化。,R-2R梯形电阻网络,为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。,D/A转换器的主要技术指标,分辨率（Resolution） 输入的二进制数每1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。 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5V的10位DAC，1 LSB的变化将使输出变化 5/(210-1)=5/102
5、3=0.04888V=48.88mV 转换精度（误差） 实际输出值与理论值之间的最大偏差。 一般用最小量化阶来度量，如1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量，如0.05% FSR (LSB-Least Significant Bit, FSR-Full Scale Range),转换时间 从开始转换到与满量程值相差1/2 LSB所对应的模拟量所需要的时间,t,V,1/2 LSB,tC,VFULL,典型D/A转换器,DAC0832(20个引脚 ) 特性： 8位电流输出型D/A转换器（要得到模拟电压输出，需接运算放大器） T型电阻网络 差动输出 技术指标 分辨率：8位 线性误差：（0.05%0
6、.2%）FSR（满刻度） 转换时间：1us 功耗：20mw,DAC0832内部结构,工作时序,D/A转换可分为两个阶段： CS#=0、WR1#=0、ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器； WR2#=0、XFER#=0，数据传送到DAC寄存器，并开始转换。,写输入寄存器,写DAC寄存器,工作方式,单缓冲方式 使输入锁存器或DAC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。 双缓冲方式（标准方式） 转换要有两个步骤： 将数据写入输入寄存器 CS#=0、WR1#=0、ILE=1 将输入寄存器的内容写入DAC寄存器 WR2#=0、XFER#=0 优点：数据接收与D/A转换可异
7、步进行； 可实现多个DAC同步转换输出分时写入、同步转换 直通方式 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。 不能直接与数据总线连接，需外加并行接口(如74LS373、8255等)。,D/A转换器的应用,函数发生器只要往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。 直流电机的转速控制 改变直流电机转速通常采用调压、调磁等方式来实现。 调压方式原理简单，易于实现。,6.3 模/数（A/D）转换器,用途 将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号，以便于计算机进行处理（存储、控制和显示） 。常用于数据采集系统。 类型
8、按A/D转换器输入模拟量的极性分 单极型和双极型 按A/D转换器的数字量输出分 并行方式、串行方式及串/并行方式 按A/D转换器的转换原理分： 积分型、逐次逼近型和并行转换型。,A/D 工作原理及技术指标,逐次逼近型A/D转换器 结构：由D/A转换器、比较器和逐次逼近寄存器SAR组成。,工作原理,类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称物体。 例如： 用8个砝码20g，21g，27g，可以称出1255g之 间的物体。现有一物体，用砝码称出其重量（假定重量为176g）。,1）ADC从高到低逐次给SAR的每一位“置1”（即加上不同权重的砝码），SAR相当于放法码的称盘； 2）每次S
9、AR中的数据经D/A转换为电压VC ； 3）VC与输入电压Vi比较，若VCVi，保持当前位的1，否则当前位置0； 4）从高到低逐次比较下去，直到SAR的每一位都尝试完； 5）SAR内的数据就是与Vi相对应的2进制数。,主要技术指标,精度 量化间隔(分辨率) = Vmax/电平数(即满量程值) 例：某8位ADC的满量程电压为5V，则其分辨率为 5V/255=19.6mV 量化误差: 用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量字长有限而无法精确地表示连续量所造成的误差。(字长越长，精度越高) 绝对量化误差 = 量化间隔/2 = (满量程电压/(2n-1)/2 相对量化误差 = 1/2 * 1/量化电
10、平数目 * 100% 例：满量程电压=10V，A/D变换器位数=10位，则 绝对量化误差 10/211 = 4.88mV 相对量化误差 1/211 *100% = 0.049%,主要技术指标（续）,转换时间 转换一次需要的时间。精度越高（字长越长），转换速度越慢。 输入动态范围 允许转换的电压的范围。如05V、010V等。,典型的A/D转换器简介,ADC0809 8通道（8路）输入 8位字长 逐位逼近型 转换时间100s 内置三态输出缓冲器 外部引脚见教材p359,ADC0809内部结构,START EOC CLK,OE,D7 D0,VREF(+) VREF(-),ADDC ADDB ADDA ALE,IN0,IN7,比较器,8路模拟开关,逐位逼近寄存器SAR,树状开关,电阻网络,三态输出锁存器,时序与控制,地址锁存及 译码,D/A,8 个模拟输入通道,8选1,工作时序,
