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1、,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,Ch.8,模擬量的輸入輸出,本章內容,模擬量輸入輸出通道的組成,D/A,轉換器,原理及連接使用方法,A/D,轉換器,原理及連接使用方法,Ch.8 模擬量的輸入輸出本章內容,模擬量,I/O,接口的作用：,實際工業(yè)生產環(huán)境,連續(xù)變化的模擬量,例如：電

2、壓、電流、壓力、溫度、位移、流量,計算機內部,離散的數(shù)字量,二進制數(shù)、十進制數(shù),工業(yè)生產過程的閉環(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,(,過程控制,),計算機,模擬量I/O接口的作用：概述 模擬量D/A傳感器執(zhí),8.1,模擬量,I/O,通道的組成,模擬接口電路的任務,模擬電路的任務,00101101,10101100,工,業(yè),生,產,過,程,傳感器,放大,濾波,多路轉換,&,采樣保持,A/D,轉換,放大,驅動,D/A,轉換,輸出,接口,微,型,計,算,機,執(zhí)行機構,輸入,接口,物理量,變換,信號,處理,信號,變

3、換,I/O,接口,輸入通道,輸出通道,8.1 模擬量I/O通道的組成模擬接口電路的任務模擬電路,模擬量輸入通道,傳感器（,Transducer,）,非電量,電壓、電流,變送器（,Transformer,）,轉換成標準的電信號,信號處理（,Signal Processing,）,放大、整形、濾波,多路轉換開關（,Multiplexer,）,多選一,采樣保持電路（,Sample Holder,，,S/H,）,保證變換時信號恒定不變,A/D,變換器（,A/D Converter,）,模擬量轉換為數(shù)字量,模擬量輸入通道傳感器（Transducer）,模擬量輸出通道,D/A,變換器（,D/A Conve

4、rter,）,數(shù)字量轉換為模擬量,低通濾波,平滑輸出波形,放大驅動,提供足夠的驅動電壓，電流,模擬量輸出通道D/A變換器（D/A Converter）,8.2,數(shù),/,模（,D/A,）變換器,8.2.1 D/A,變換器的基本原理及技術指標,D/A,變換器的基本工作原理,組成：模擬開關、,電阻網絡,、運算放大器,兩種電阻網絡：權電阻網絡、,R-2R,梯形電阻網絡,基本結構如圖：,V,ref,R,f,模擬開關,電阻網絡,V,O,數(shù)字量,8.2 數(shù)/模（D/A）變換器8.2.1 D/A變換器的,D/A,變換原理,運放的放大倍數(shù)足夠大時，輸出電壓,V,o,與輸入電壓,V,in,的關系為：,式中：,R,

5、f,為反饋電阻,R,為輸入電阻,V,in,R,f,V,o,R,D/A變換原理 運放的放大倍數(shù)足夠大時，輸出電壓Vo與輸入電,若輸入端有,n,個支路,則輸出電壓,V,O,與輸入電壓,V,i,的關系為：,V,in,R,f,V,O,R,1,式中：,R,i,為第,i,支路的輸,入電阻,R,n,若輸入端有n個支路,則輸出電壓VO與輸入電壓Vi的關系為,令每個支路的輸入電阻為,2,i,R,f,并令,V,in,為一基準電壓,V,ref,，則有,如果每個支路由一個開關,S,i,控制，,S,i,=1,表示,S,i,合上，,S,i,=0,表示,S,i,斷開，則上式變換為,若,S,i,=1,該項對,V,O,有貢獻,

6、若,S,i,=0,該項對,V,O,無貢獻,令每個支路的輸入電阻為2iRf,并令Vin為一基準電壓V,2R,4R,8R,16R,32R,64R,128R,256R,V,ref,R,f,V,O,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,與上式相對應的電路如下,(,圖中,n=8),：,圖中的電阻網絡就稱為,權電阻網絡,2RVrefRf VOS1與上式相對應的電路如下(圖中n=8,如果用,8,位二進制代碼來控制圖中的,S,1,S,8,(D,i,=1,時,S,i,閉合；,D,i,=0,時,S,i,斷開,),，那么根據(jù)二進制代碼的不同，輸出電壓,V,O,也不同，這就構成了,8,位的,D/A,轉換器。

7、,可以看出，當代碼在,0,FFH,之間變化時，,V,O,相應地在,0,-(255/256)V,ref,之間變化。,為控制電阻網絡各支路電阻值的精度，實際的,D/A,轉換器采用,R-2R,梯形電阻網絡,(,見下頁,),，它只用兩種阻值的電阻,(R,和,2R),。,如果用8位二進制代碼來控制圖中的S1S8(Di=1時Si閉,R-2R,梯形電阻網絡,R-2R梯形電阻網絡,D/A,轉換器的主要技術指標,分辨率（,Resolution,）,輸入的二進制數(shù)每,1,個最低有效位,(LSB),使輸出變化的程度。,一般用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示,:,如,8,位、,10,位,例：一個滿量程為,5V,的,10,位,D

8、AC,，,1,LSB,的變化將使輸出變化,5/(2,10,-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV,轉換精度（誤差）,實際輸出值與理論值之間的最大偏差。,一般用最小量化階,來度量，如,1/2 LSB,也可用滿量程的百分比來度量，如,0.05%FSR,LSB:Least Significant Bit,FSR:Full Scale Range),D/A轉換器的主要技術指標分辨率（Resolution）,轉換時間,從開始轉換到與滿量程值相差,1/2 LSB,所對應的模擬量所需要的時間,t,V,1/2 LSB,t,C,V,FULL,0,轉換時間tV1/2 LSBtCVFULL0,8.

9、2.2,典型,D/A,轉換器,DAC0832,特性：,8,位電流輸出型,D/A,轉換器,T,型電阻網絡,差動輸出,引線圖見教材,p351,8.2.2 典型D/A轉換器DAC0832,DAC0832,內部結構,DAC0832內部結構,引腳功能,D,7,D,0,：輸入數(shù)據(jù)線,ILE,：輸入鎖存允許,CS#,：片選信號,用于把數(shù)據(jù)寫入到輸入鎖存器,WR,1,#,：寫輸入鎖存器,WR,2,#,：寫,DAC,寄存器,XFER#,：允許輸入鎖存器的數(shù)據(jù)傳送到,DAC,寄存器,上述二個信號用于啟動轉換,V,REF,：參考電壓，,-10V,+10V,，一般為,+5V,或,+10V,I,OUT1,、,I,OUT

10、2,：,D/A,轉換差動電流輸出，接運放的輸入,R,fb,：內部反饋電阻引腳，接運放輸出,AGND,、,DGND,：模擬地和數(shù)字地,引腳功能D7D0：輸入數(shù)據(jù)線,工作時序,D/A,轉換可分為兩個階段：,CS#=0,、,WR1#=0,、,ILE=1,，使輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器；,WR2#=0,、,XFER#=0,，數(shù)據(jù)傳送到,DAC,寄存器，并開始轉換。,寫輸入寄存器,寫,DAC,寄存器,工作時序D/A轉換可分為兩個階段：寫輸入寄存器寫DAC寄存器,工作方式,單緩沖方式,使輸入鎖存器或,DAC,寄存器二者之一處于直通,。,CPU,只需一次寫入即開始轉換。控制比較簡單。見教材,p352,圖。,雙

11、緩沖方式（標準方式）,轉換要有兩個步驟：,將數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器,CS#=0,、,WR1#=0,、,ILE=1,將輸入寄存器的內容寫入,DAC,寄存器,WR2#=0,、,XFER#=0,優(yōu)點：數(shù)據(jù)接收與,D/A,轉換可異步進行；,可實現(xiàn)多個,DAC,同步轉換輸出,分時寫入,、,同步轉換,直通方式,使內部的兩個寄存器都處于直通狀態(tài)。模擬輸出始終跟隨輸入變化。,不能直接與數(shù)據(jù)總線連接,，需外加并行接口,(,如,74LS373,、,8255,等,),。,工作方式單緩沖方式,雙緩沖方式,同步轉換舉例,A,10,-A,0,譯碼器,0832-1,0832-2,port1,port2,port3,雙緩沖方式同

12、步轉換舉例A10-A0譯碼器0832-108,雙緩沖方式的程序段示例,本例中三個端口地址的用途：,port1,選擇,0832-1,的輸入寄存器,port2,選擇,0832-2,的輸入寄存器,port3,選擇,0832-1,和,0832-2,的,DAC,寄存器,MOV AL,，,data,;,要轉換的數(shù)據(jù)送,AL,MOV DX,，,port1,;,0832-1,的輸入寄存器地址送,DX,OUT DX,，,AL ;,數(shù)據(jù)送,0832-1,的輸入寄存器,MOV DX,，,port2,;,0832-2,輸入寄存器地址送,DX,OUT DX,，,AL ;,數(shù)據(jù)送,0832-2,的輸入寄存器,MOV DX

13、,，,port3,;,DAC,寄存器端口地址送,DX,OUT DX,，,AL ;,數(shù)據(jù)送,DAC,寄存器，并啟動同步轉換,HLT,雙緩沖方式的程序段示例本例中三個端口地址的用途：,D/A,轉換器的應用,函數(shù)發(fā)生器,只要往,D/A,轉換器寫入按規(guī)律變化的數(shù)據(jù)，即可在輸出端獲得正弦波、三角波、鋸齒波、方波、階梯波、梯形波等函數(shù)波形。,直流電機的轉速控制,用不同的數(shù)值產生不同的電壓，控制電機的轉速,其他需要用電壓/電流來進行控制的場合,例子參見,p354-p356,。,D/A轉換器的應用函數(shù)發(fā)生器,8.3,模,/,數(shù)（,A/D,）轉換器,用途,將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數(shù)字信號，以便于計算機進行處理

14、。,常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或數(shù)字化聲音。,A/D,轉換的四個步驟,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）,8.3 模/數(shù)（A/D）轉換器用途,1)采樣和保持,采樣,將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉為時間上斷續(xù)變化的（離散的）模擬量。,或：把一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉換為一個脈沖串，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，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,轉換期間保持采樣值恒定不變。,對于慢速變化的信號，可省略采樣保持電路,1)采樣和保持采樣,采樣保持電路（,S/

15、H）,由,MOS,管采樣開關,T、,保持電容,Ch,和運放構成的跟隨器三部分組成。,采樣控制信號,S(t)=1,時，,T,導通，,Vin,向,Ch,充電，,Vc,和,Vout,跟,蹤,Vin,變化，即對,Vin,采樣。,S(t)=0,時，,T,截止，,Vout,將保持前一,瞬間采樣的數(shù)值不變。,C,h,T,V,out,V,in,采樣控制,S(t),采樣保持電路（S/H）由MOS管采樣開關T、保持電容Ch和運,采樣保持電路的波形,V,in,S(t),V,out,進行,A/D,轉換時所用的輸入電壓，就是對保持下來的采樣電壓（每次采樣結束時的輸入電壓）進行轉換。,采樣保持電路的波形VinS(t)Vo

16、ut進行A/D轉換時所用,采樣周期的確定,采樣通常采用等時間間隔采樣。,采樣頻率,fs,不能低于2,fimax,（,fimax,為輸入信號,Vin,的最高次諧波分量的頻率）；,fs,的,上限受計算機的速度、存儲容量、器件速度的限制。,實際中一般取,fs,為,fimax,的4-5倍。,采樣周期的確定采樣通常采用等時間間隔采樣。,2)量化和編碼,量化,就是用基本的量化電平的個數(shù)來表示采樣到模擬電壓值。即把時間上離散而數(shù)值上連續(xù)的模擬量以一定的準確度變換為時間上、數(shù)值上都離散的具有標準量化級的等效數(shù)字值。（量化電平的大小取決于,A/D,變換器的字長）,只有當電壓值正好等于量化電平的整數(shù)倍時，量化后才是準確值，否則量化后的結果都只能是輸入模似量的近似值。這種由于量化而產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，所以它是原理性誤差，只能減小，而無法消除。為減小量化誤差，根本的辦法是減小量化電平（即增加字長）。,編碼,是把已經量化的模擬數(shù)值(它一定是量化電平的整數(shù)倍)用二進制碼、,BCD,碼或其它碼來表示。,2)量化和編碼量化就是用基本的量化電平的個數(shù)來表示采樣到模,A/D,轉換