第8章模擬量輸入輸出通道接口技術(shù)數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的信號(hào)是用二進(jìn)制表示的數(shù)字量的電信號(hào)。實(shí)際上被控設(shè)備的工作信號(hào)是多種多樣的，如聲音信號(hào)、溫度信號(hào)、壓力信號(hào)、濕度信號(hào)、速度信號(hào)等。這些信號(hào)的共同特點(diǎn)都是連續(xù)變化的模擬信號(hào)。計(jì)算機(jī)要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，必須先將非電的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。被處理后的數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)去控制外部設(shè)備等。本章主要教學(xué)內(nèi)容：①計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般組成及處理過(guò)程。②數(shù)據(jù)采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換一般方法。③多路選擇的實(shí)現(xiàn)④數(shù)字量到模擬量轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)。這部分的內(nèi)容在教材的第9章8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般組成及處理過(guò)程。8.1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的模型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)前向通道后向通道①②③1.前向通道模數(shù)轉(zhuǎn)換采用保持多路選擇傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)放大傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)放大計(jì)算機(jī)系統(tǒng)①傳感器：用某種可以度量的物理量來(lái)描述被測(cè)物體的器件。②信號(hào)轉(zhuǎn)換：將傳感器獲得的非電信號(hào)量通過(guò)電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。③信號(hào)放大電路：將小信號(hào)的電信號(hào)通過(guò)放大器放大為適合處理的電信號(hào)。目前很多公司已將這三部分集成在一起，稱(chēng)傳感器變送單元。如Motorola公司的溫度變送單元、壓力變送單元等。④多路選擇開(kāi)關(guān)：通過(guò)多了選擇開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理。⑤采樣保持電路：由于AD轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換時(shí)需要一定的時(shí)間，而且在轉(zhuǎn)換過(guò)程中需要輸入信號(hào)保持不變。采樣電路就是起這樣的作用的。⑥模數(shù)轉(zhuǎn)換器：將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過(guò)接口送計(jì)算機(jī)處理。目前很多AD轉(zhuǎn)換芯片都將多路選擇開(kāi)關(guān)、采樣保持電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)芯片中。如ADC0809。2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。首先接收前向通道送來(lái)的待處理信號(hào)，然后按照用戶(hù)事先編好的程序進(jìn)行處理，最后將處理的結(jié)果通過(guò)接口送被控制的設(shè)備（或送顯示，如儀表系統(tǒng)），控制設(shè)備的工作。3.后向通道如果是設(shè)備，它就接收計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制信號(hào)，必要時(shí)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，然后再放大，驅(qū)動(dòng)設(shè)備自動(dòng)工作。如果是儀表，就顯示被被測(cè)量的結(jié)果。8.1.2多路選擇開(kāi)關(guān)在計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，往往需要對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)控，由于計(jì)算機(jī)速度很快，被測(cè)參數(shù)的變化又很慢，所以通常采用一臺(tái)微機(jī)分時(shí)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行采集和處理。為了達(dá)到這一目的。必須使得計(jì)算機(jī)在某一時(shí)刻只選擇某一通道與之相連，其他通道與之?dāng)嚅_(kāi)。多路選擇開(kāi)關(guān)就是完成這一任務(wù)的器件。選擇譯碼電路ABC選擇0選擇7輸出輸入0輸入7選擇0選擇7選擇1選擇2CBA選中000選擇0001選擇1010選擇2011選擇3100選擇4101選擇5110選擇6111選擇7K0K1K2K3K4K5K6K7選擇多路選擇開(kāi)關(guān)注意事項(xiàng)：①無(wú)觸點(diǎn)；②要求信號(hào)在全量程范圍內(nèi)無(wú)損耗（或損耗較小且一致性要好）；③在信號(hào)的頻率范圍內(nèi)一致性和線(xiàn)性度要好；（在信號(hào)的全頻范圍內(nèi)無(wú)衰減）；④通道一致性要好；⑤延遲響應(yīng)要快；⑥溫度漂移要??；⑦選擇控制要方便簡(jiǎn)單。8.1.3采樣保持器由于AD轉(zhuǎn)換都需要一定時(shí)間來(lái)完成量化和編碼，如果直接將模擬輸入信號(hào)送AD轉(zhuǎn)換，由于在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，輸入的模擬信號(hào)發(fā)生變化將會(huì)影響轉(zhuǎn)換精度，這對(duì)于同步控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不允許的。所以要求輸入到AD轉(zhuǎn)換器的信號(hào)在AD轉(zhuǎn)換期間保持不變。因此必須先對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣的數(shù)據(jù)保存直到AD轉(zhuǎn)換結(jié)束。承擔(dān)該項(xiàng)任務(wù)的芯片就是采樣保持器目前很多AD轉(zhuǎn)換芯片都將多路選擇開(kāi)關(guān)、采樣保持電路模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字量采樣后的離散信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)10110011模擬量輸入信號(hào)采樣器選擇采樣保持器注意事項(xiàng)：①采樣保持器的采樣頻率必須大于輸入信號(hào)的頻率的兩倍才能保證輸出信號(hào)不失真；根據(jù)奈魁斯采樣定理，采樣頻率只要大于等于信號(hào)最高頻率的兩倍，就能夠不失真描述被采樣的信號(hào)。人耳可以分辨的音頻頻率范圍為20Hz～20kHz，現(xiàn)在，幾乎所有的聲卡的采樣頻率都達(dá)到44.1kHz。②溫度穩(wěn)定性要好；③響應(yīng)速度要快。8.2模擬量輸入通道接口技術(shù)8.2.1AD轉(zhuǎn)換模擬量輸入通道的任務(wù)就是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的用二進(jìn)制表示的數(shù)字量。AD轉(zhuǎn)換器就是完成這一任務(wù)的芯片。AD轉(zhuǎn)換芯片的種類(lèi)很多，價(jià)格差異非常大。選擇時(shí)重點(diǎn)考慮以下因素：①轉(zhuǎn)換速度；②是否包含多路開(kāi)關(guān)和采樣保持電路、采樣頻率及帶寬；③數(shù)字量的位數(shù)；④是否自帶基準(zhǔn)參考電源電路；⑤零漂；⑦溫度穩(wěn)定性是否好；⑥與系統(tǒng)的接口控制是否方便。8.2.28位AD轉(zhuǎn)換器ADC08091.ADC0809芯片功能ADC0809是個(gè)低速的AD轉(zhuǎn)換芯片；具有8路通道模擬量輸入。輸入通道選擇由輸入通道地址譯碼鎖存器完成；采用單電源供電；8位數(shù)據(jù)輸出的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。2.ADC0809芯片引腳功能IN7~IN0:8個(gè)模擬量輸入端；START:啟動(dòng)信號(hào)，高電平啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換開(kāi)始;EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出高電平脈沖，可作為中斷申請(qǐng)信號(hào)；OE:輸出允許信號(hào)，高電平有效，允許從AD轉(zhuǎn)換器的輸出鎖存器中輸出AD轉(zhuǎn)換結(jié)果；CLOCK:實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)輸入端500KHz~1MHz;ALE:地址鎖存允許端。高電平將C、B、A信號(hào)鎖存在地址鎖存器中；C、B、A：8輸入通道選擇地址譯碼信號(hào)。ALECBA被選中的通道1000IN01001IN11010IN21011IN31100IN41101IN51110IN61111IN7D7~D0:8位數(shù)字量輸出。VREF(+)、VREF(-):參考電源輸入。對(duì)于單極性電源VREF(+)=+5V,VREF(-)=0V。VCC、GND:工作電源＋5V和地。8.2.3ADC0809AD轉(zhuǎn)換器的接口電路。ADC0809與微機(jī)接口通信方式主要有中斷通信方式和查詢(xún)工作方式。都是利用轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC來(lái)實(shí)現(xiàn)的。D0IN0A15-A0IOR#IOW#D7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA譯碼器ADC0809INTR8.2.4ADC0809AD轉(zhuǎn)換器應(yīng)用實(shí)例。實(shí)例1、(教材例8.1)采用的是程序查詢(xún)方式。將EOC經(jīng)過(guò)三態(tài)門(mén)（同向器）連接到數(shù)據(jù)線(xiàn)的D7。CPU通過(guò)START啟動(dòng)ADC0809后不斷檢查D7，如果D7=1(EOC=1)，就表明AD轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，可以讀轉(zhuǎn)換結(jié)果。讀EOC=1的狀態(tài)地址238H。根據(jù)電路圖：通道(IN0~IN7)的地址220H~227H。VCCIN0IN7IN6IN4IN3IN2IN1IN5EOCGNDCLKOEVREF(＋)VREF(-)STARTADDAADDBADDCALED7~D0500KHz譯碼A0A9~A3A2A1IOWIOR238H~23FH220H~227HADC0809IN指令產(chǎn)生IOROUT指令產(chǎn)生IOW011D7參考程序：DATASEGMENTCOUNTEREQU8BUFDBCOUNTERDUP(0)DATAENDPCODESEGMENGASSUME:CS:CODE,DS:DATASTART:MOVAX,DATAMOVDS,AXMOVBX,OFFSETBUF

MOVCX,COUNTERMOVDX,220H；置IN0地址START1:OUTDX,AL；啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換（產(chǎn)生START)PUSHDX；保存IN0地址到堆棧

MOVDX,238H

；置狀態(tài)地址START2:INAL,DX；檢查D7（EOC)是否等于1TESTAL,80H(10000000)JZSTART2POPDX；轉(zhuǎn)換結(jié)束，恢復(fù)IN0地址

INAL,DX；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果（產(chǎn)生OE)

MOV[BX],AL；保存轉(zhuǎn)換結(jié)果到BUFINCBX;修改BUF指針

INCDX；修改通道號(hào)

LOOPSTART1；判8個(gè)通道是否

…都轉(zhuǎn)換過(guò)。

MOVAH,4CHINT21HCODEENDSEDNSTART8.3數(shù)/模

(D/A)轉(zhuǎn)換芯片及接口8.3.1DAC的主要性能指標(biāo)(1)分辨率：分辨率是當(dāng)輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化（即1LSB）時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出模擬量的變化量，即等于模擬量輸出的滿(mǎn)量程值的1/(2-1)（N為數(shù)字量位數(shù)）。分辨率也可以用相對(duì)值1/(2-1）百分率表示。在實(shí)際應(yīng)用中，又常用數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示分辨率。(2)轉(zhuǎn)換精度:轉(zhuǎn)換精度是指一個(gè)實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換器與理想的D/A轉(zhuǎn)換器相比較的轉(zhuǎn)換誤差。精度反映D/A轉(zhuǎn)換的總誤差。包括絕對(duì)精度和相對(duì)精度。

N

N①絕對(duì)精度:對(duì)應(yīng)于給定的滿(mǎn)刻度數(shù)字量，D/A實(shí)際輸出與理論值之間的誤差。該誤差是由于D/A的增益變化、零點(diǎn)漂移和噪聲等引起的，一般應(yīng)低于±1/2LSB。②相對(duì)精度:在滿(mǎn)刻度已經(jīng)校準(zhǔn)的情況下，在整個(gè)刻度范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)于任一數(shù)碼的模擬量輸出與理論值之差。（3）線(xiàn)性誤差:相鄰兩個(gè)數(shù)字輸入量之間的差應(yīng)該是±1LSB，即理想的轉(zhuǎn)換特性應(yīng)是線(xiàn)性的。在滿(mǎn)刻度范圍內(nèi)，偏離理想的轉(zhuǎn)換特性的最大值稱(chēng)線(xiàn)性誤差。（4）建立時(shí)間:當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，輸出模擬量達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值，即進(jìn)入規(guī)定的精度范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。（5）溫度系數(shù):D/A轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)性能指標(biāo)一般在環(huán)境溫度為25℃下測(cè)定。環(huán)境溫度的變化會(huì)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換精度產(chǎn)生影響，這一影響分別用失調(diào)溫度系數(shù)、增益溫度系數(shù)和微分非線(xiàn)性溫度系數(shù)來(lái)表示。這些系數(shù)的含義是當(dāng)環(huán)境溫度變化1℃時(shí)該項(xiàng)誤差的相對(duì)變化率，單位是×10/℃。-68.3.28位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832集成D/A芯片類(lèi)型很多，按生產(chǎn)工藝分有雙極型、MOS型等；按字長(zhǎng)分有8位、10位、12位等；按輸出形式分有電壓型和電流型。另外，不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的產(chǎn)品，其型號(hào)各不相同。例如，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的D/A芯片為DAC系列，如DAC0832等；美國(guó)模擬器件公司的D/A芯片為AD系列，如AD558等。使用時(shí)可參閱各公司提供的使用手冊(cè)。主要A/D與D/A芯片生產(chǎn)廠(chǎng)家：美國(guó)模擬技術(shù)公司ADI:

http///德州儀器公司TI:http///美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司NS:

飛利浦公司Philips:

MAXIM公司:摩托羅拉公司Motorola:DAC0832典型的電流輸出型通用DAC芯片，20條引線(xiàn)，雙列直插式，內(nèi)部具有兩級(jí)數(shù)據(jù)寄存器。DAC0832具有以下特性：輸出差動(dòng)電流數(shù)字量輸入具有雙重緩沖內(nèi)部具有數(shù)據(jù)寄存器，可以直接和處理機(jī)系統(tǒng)相連分辨率為8位，建立時(shí)間為1us，滿(mǎn)量程誤差±1LSB電源為+5V~+15V，基準(zhǔn)電壓范圍?10V~+10V，功耗20mW1．DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳模擬輸出通道用來(lái)將數(shù)字信號(hào)變成模擬的電流或電壓。由數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器來(lái)完成。一般要還經(jīng)過(guò)低通濾波，使其輸出波形平滑。如果需要，可以采用功率放大器作為模擬量輸出的驅(qū)動(dòng)電路。DAC08321202193184176158139121011AGNDDI3VREFRFBDGNDVCCILEIOUT2IOUT1751614

CS

WR1DI2DI1DI0

WR2XFERDI4DI5DI6DI7DI7DI0:D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入引腳。其中DI0為最低位，DI7為最高位。/CS:片選信號(hào)輸入端，低電平有效。/WR1:輸入寄存器的寫(xiě)信號(hào)，低電平有效。ILE:輸入寄存器選通信號(hào)，高電平有效。ILE信號(hào)和/CS、/WR1共同控制選通輸入寄存器。當(dāng)CS、WR1均為低電平，而ILE為高電平時(shí)，ILE=0，輸入數(shù)據(jù)被送至8位輸入寄存器的輸出端；當(dāng)上述三個(gè)控制信號(hào)任一個(gè)無(wú)效時(shí)，ILE變高，輸入寄存器將數(shù)據(jù)鎖存，輸出端呈保持狀態(tài)。/XFER:從輸入寄存器向DAC寄存器傳送D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的控制信號(hào)，低電平有效。/WR2:DAC寄存器的寫(xiě)信號(hào)，低電平有效。當(dāng)XFER和WR2同時(shí)有效時(shí)，輸入寄存器的數(shù)據(jù)裝入DAC寄存器，并同時(shí)啟動(dòng)一次D/A轉(zhuǎn)換。VCC:芯片電源，其值可在+5+15V之間選取，典型值取+15V。AGND:模擬信號(hào)地。DGND:數(shù)字信號(hào)地。RFB:內(nèi)部反饋電阻引腳，用來(lái)外接D/A轉(zhuǎn)換器輸出增益調(diào)整電位器。VREF:D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓，其范圍可在?10~+10V內(nèi)選定。該端連至片內(nèi)的R–2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)，由外部提供一個(gè)準(zhǔn)確的參考電壓。該電壓精度直接影響著D/A轉(zhuǎn)換精度。IOUT1:D/A轉(zhuǎn)換器輸出電流1，當(dāng)輸入全1時(shí)，輸出電流最大。當(dāng)輸入為全0時(shí)，輸出電流最小，即為0。IOUT2:D/A轉(zhuǎn)換器輸出電流2，它與IOUT1有如下關(guān)系：IOUT1+IOUT2=常數(shù)D/A轉(zhuǎn)換沒(méi)有形式上的啟動(dòng)信號(hào)。實(shí)際上將數(shù)據(jù)寫(xiě)入第二級(jí)寄存器的控制信號(hào)就是D/A轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)信號(hào)。另外，它也沒(méi)有轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，D/A轉(zhuǎn)換的過(guò)程很快，一般還不到一條指令的執(zhí)行時(shí)間。2．DAC0832的接口(1)數(shù)據(jù)輸入連接方式單緩沖方式MOVDX，280H；設(shè)DAC0832的地址為280HOUT DX，AL ；AL內(nèi)數(shù)據(jù)送DAC轉(zhuǎn)換DI7~DI0CS1WR2WRXFERILE地址譯碼IOWD7~D0+5VDAC08322．DAC0832的接口雙緩沖方式MOVDX，200H；DAC0832的輸入鎖存器的地址為200HOUTDX，AL

；AL中數(shù)據(jù)DATA送輸入寄存器MOVDX，201H；DAC0832的DAC鎖存器的地址為201HOUTDX，AL

；數(shù)據(jù)DATA寫(xiě)入DAC鎖存器并轉(zhuǎn)換DI7~DI0ILE地址譯碼D7~D0+5VDAC0832A0200H201HCS1WR2WRXFERIOW2．DAC0832的接口直通方式MOV DX，PA8255 ；8255的A口地址為PA8255OUT DX，AL ；AL中數(shù)據(jù)送A口鎖存并轉(zhuǎn)換8255ADI7~DI0ILEPA7~PA0+5VDAC0832CS1WR2WRXFER(2)輸出方式DAC0832以電流形式輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，若要得到電壓形式的輸出，需要外加I/V轉(zhuǎn)換電路，常采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換。①單極性輸出對(duì)于單極性輸出電路，輸出電壓為：REFOUTV256DV-=式中D為輸入數(shù)字量的十進(jìn)制數(shù)。因?yàn)檗D(zhuǎn)換結(jié)果IOUT1接運(yùn)算放大器的反向端，所以式中有一個(gè)負(fù)號(hào)。若VREF=+5V，當(dāng)D=0255(00HFFH)時(shí)，VOUT=?(04.98)V。IOUT1IOUT2AGNDRFBVREFDI7~DI0VoutDAC0832(2)輸出方式DAC0832以電流形式輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，若要得到電壓形式的輸出，需要外加I/V轉(zhuǎn)換電路，常采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換。①雙極性輸出對(duì)于雙極性輸出電路，輸出電壓為：若VREF=+5V，當(dāng)D=0時(shí)，VOUT1=0，OUT=?5V；當(dāng)D=128(80H)時(shí)，VOUT1=?