模拟量的输入输出

多 路 开 关
传感器 控制信号 将各种现场的 物理量测量出来 放大驱动电路 受控对象 并转换成电信号 （模拟电压或电流）
模 拟 信 D/A 号 转 换 器
I/0 接 口
数 字 信 号
6
模拟量的输入通道

传感器（Transducer）

非电量→电压、电流

变送器（Transformer）

转换成标准的电信号

数字量转换为模拟量

低通滤波

平滑输出波形

放大驱动

提供足够的驱动电压，电流
8
二、数/模（D/A）变换器
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1.D/A 转换器工作原理

典型的D/A 转换器芯片通常由模拟开关、电阻网络以及 缓冲电路组成。
D/A 转换的基本原理是利用电阻网络，将N 位二进制数 逐位转换成模拟量并求和，从而实现将数字量转化为模 Rf 拟量。
(1) 单缓冲方式。单缓冲工作方式是使输入寄存器或DAC 寄存器中的 任意一个工作在直通状态，另一个由CPU 控制。通常WR2和XFER 连 接数字地，使DAC 寄存器的输出能够跟随输入，即第二级寄存器工 作在直通状态，输入寄存器的控制端ILE 接＋5V， CS接端口地址译 码器输出， WR1连接系统总线的IOW信号，电路连接如图
VIN
VN
D/A转换器
VREF D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 OE
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START 控制 逻辑 EOC N位寄存器
锁 存 缓 存 器
A/D 转换器的主要性能指标

1. 分辨率

反映了A/D 转换器对输入微小信号变化的响应能力，即能够分辨 的最小模拟量。例如，对于8 位A/D 转换器，输入电压满刻度为 5V 时，则对应输入的模拟电压的分辨率为5V/255＝19.5mV。
可用输入数字量的位数来表示，如8位、10位等； 也可用一个LSB （Least Significant Bit）使输出变化的程度 来表示。
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分辩率例

一个满量程为5V的10位D/A变换器，±1 LSB的变化将使 输出变化： 5/(210-1) = 5/1023 = 0.04888V = 48.88mV
RFB:内部反馈电阻引出端，接运算放大器的输出端 VREF:基准电压输入端，可在－10V～＋10V 之间


VCC:芯片的电源电压，可在＋5V 或＋15V 选择
GND:数字信号地 AGND:模拟信号地
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DAC0832 的工作方式

DAC0832 内部有两个寄存器，即输入寄存器和DAC 寄存器，能实现 3 种工作方式：单缓冲方式、双缓冲方式和直通方式。
n
Vref
… Rn
∑
VO
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权电阻网络
假定在制造D/A 转换器时，使RF＝R，R1＝2R，R2＝ 4R，R3＝8R，…，Rn＝2nR
2R S1 S2 S3 S4 4R 8R 16R 32R 64R 128R 256R
Rf
Vref
S5
S6
S7 S8
VO
这里，上式中的n=8
13
基本变换原理
每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，
(3) 三角波。给DAC0832 持续256 次送数据0，然后逐次加1 直到 255，接着将255逐次 减1 到0，依次重复，DAC0832 就可输出一个 三角波。输出三角波的程序段如下：
MOV DX，360H ；设定地址译码输出端口
DD0：MOV CX，0FFH MOV AL，00
DD1：OUT DX，AL ；向D/A 转换器送数据0

MOV AL，00
DDl： OUT DX，AL ；向D/A 转换器送数据0 LOOP DDl ；循环256 次，形成矩形波的低电平
MOV CX，0FFH
MOV AL，0FFH DD2：OUT DX，AL ；向D/A 转换器送数据FFH LOOP DD2 ；循环256 次，形成矩形波的高电平 JMP DD0 ；重复上述的过程，形成多个矩形波
WR2 :DAC 寄存器写入控制，低电平有效
XFER:传送控制信号，低电平有效 Iout1:模拟电流输出端口1，当DAC 寄存 器全为1 时，此电流最大，当DAC 寄存 器全为0时，此电流最小
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DAC0832 的引脚功能


Iout2:模拟电流输出端口2，在数值上，Iout1＋Iout2＝常数
21
DAC0832的内部结构
22
DAC0832的引脚功能

DAC0832 由8 位输入寄存器、8 位DAC 寄存器、8位DAC 转换器及 转换控制电路构成，DAC 转换器采用“T”型电阻网络
D0～D7:8位数据输入端

Hale Waihona Puke CS:片选信号线，低电平有效
ILE:数据锁存允许信号，高电平有效 WR1:输入寄存器的写入控制，低电平有效
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D/A 转换器的应用

应用举例：利用D/A 转换器来构造波形发生器，如图所示。该电路 由DAC0832、双运算放大器LM358 和地址译码部件组成，将WR2 、 XFER 信号接地，使DAC0832 工作在单缓冲方式下。由于DAC0832 是电流输出型的D/A 转换器，该电路需要电压输出，所以采用双极 性输出方式。
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(2) 梯形波。给DAC0832 持续256 次送数据0，然后逐次加1 直到255， 然后持续256次，接着将255 逐次减1，依次重复处理，DAC0832 就可 输出一个梯形波。输出梯形波的程序段 如下：
MOV DX，360H ；设定地址译码输出端口
MOV CX，0FFH MOV AL，00 DDl： OUT DX，AL ；向D/A 转换器送数据0 LOOP DDl ；循环256 次，形成梯形波的下底
Si=0表示Si断开，则上式变换为
1 V0 = - i SiVref i=1 2
若Si=1,该项对VO有贡献；
若Si=0,该项对VO无贡献
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n
基本变换原理

如果用8位二进制代码来控制图中的S1～S8(Di=1时Si闭合； Di=0时Si断开)，则不同的二进制代码就对应不同输出电 压VO； 当代码在0～FFH之间变化时，VO相应地在 0～(255/256)Vref之间变化； 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)。
低通滤波器 用于降低噪声、 滤去高频干扰， 以增加信噪比
多路开关 把多个现场信号 分时地接通到 A/D转换器 模拟信号
采样保持器 周期性地采样连续 信号，并在A/D转 换期间保持不变 数字 信号 I/0 接 口
放大器
低通滤波 多 路 开 关
采样 保持 器
放大器
低通滤波
A/D 转 换 器
放大器
低通滤波


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实际的D/A转换器 ——R-2R梯形电阻网络
Rf n-1 2 1 0 Vi + 2R R Vn-1 2R
...
V0
Vref
R V2
2R R V1
2R 2R V0
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2.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。

表示：


信号处理（Signal Processing）

放大、整形、滤波

多路转换开关（Multiplexer）

多选一

采样保持电路（Sample Holder，S/H）

保证变换时信号恒定不变

A/D变换器（A/D Converter）

模拟量转换为数字量
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模拟量的输出通道

D/A变换器（D/A Converter）
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设定地址译码输出端口为360H，该电路可输出3 种波形，分别描述 如下
(1) 矩形波。给DAC0832 持续256 次送数据0，然后256 次送数据 FFH，依次重复处理， DAC0832 就可输出一个矩形波。输出矩形波 的程序段如下：
MOV DX，360H ；设定地址译码输出端口 DD0： MOV CX，0FFH
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双缓冲模式下，CS和XFER分别接到两个端口的地址译码 信号线，即0832占用两个端口地址
双缓冲工作方式优点是数据接收和启动转换可以异步进 行，可以在D/A转换的同时，接收下一个数据，提高了模 /数转换的速率。它还可以用于多个通道同时进行D/A转 换的场合。

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(3)直通方式

直通工作方式是指两个寄存器的有关控制信号都预先置 为有效，两个寄存器都开通。只要数字量送到数据输入 端，就立即进入D/A 转换器进行转换。此时，CS、 WR1 、 WR2 、XFER 引脚都直接连接数字地，ILE 信号接高电平， 这种方式一般应用较少。

2. 转换精度

反映了A/D 转换器实际输出与理想输出的接近程度。

3. 转换时间

指完成一次A/D 转换所需要的时间
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A/D转换器类型

计数型A/D转换器
-------速度慢、价格低，适用于慢速系统

双积分型A/D转换器
-------分辩率高、抗干扰性好、转换速度慢，适用于中速 系统

逐次逼近式A/D转换器
-------转换精度高、速度快、抗干扰性差
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A/D 转换器的工作原理

逐位逼近式A/D转换器

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