模拟量的输入输出.
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≥1
＆
LE1
Rfb AGND(模拟地)
20 VCC(+5V或+15V）
≥1
10 DAC0832框图
DGND（数字地）
引脚功能
D7～D0：输入数据线 ILE：输入锁存允许 CS：片选信号 WR1：写输入锁存器
用于把数据写入到输入锁存器
WR2：写DAC寄存器 XFER：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器 上述二个信号用于启动转换 VREF：参考电压，-10V～+10V，一般为+5V或+10V IOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入 Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出 AGND、DGND：模拟地和数字地
VCC
ILE WR2 XFER DI 4 DI 5 DI 6 DI 7 I OUT 2 I OUT1
DAC0832内部结构
输入数据 D0～ D7 ILE 19 CS WR1 WR2 18 XFER 17 1 2 8 位 输入 13 ～16 寄存 器 4～ 7 8 位 DAC ～ 寄存 器 LE2 8 位 D/A 转换 器 Rfb 8 V REF 12 IOUT2 11 IOUT1 9 3
运放的放大倍数足够大时，输出电压Vo与输 入电压Vin的关系为：
Rf VO = - Vin R
式中：Rf 为反馈电阻 R 为输入电阻 R Vin
∑
Rf
Vo
若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入 电压Vi的关系为：
1 V0 = -Rf Vin i=1 Ri
Rf
式中：Ri 为第i支路的输 入电阻 Vin R1
；设置初值
L1：
INC NOP JMP
OUT DX，AL
AL
；向DAC送数据
；输出数据加1 ；延时
L1
通过AL加1，可得到正向的锯齿波。如要得到负向的锯齿
波，则只要将程序中的INC AL改为DEC AL即可。可以通过延
时的办法改变锯齿波的周期，若延迟时间较短，则可用NOP指
令来实现；若延迟时间较长，则可用一个延时子程序。延迟时
DX，0E003H ；8255A的控制端口地址
AL，80H DX，AL ；设置8255A的方式字
；B口控制DAC的转换 MOV MOV OUT DX，0E001H ；8255A的B口地址 AL，10H DX，AL ；置0830为直通工作方式
；生成锯齿波
MOV
MOV
DX，0E000H
AL，0H
；设置DAC端口号
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。
用不同的数值产生不同的电压，控制电机的转速 其他需要用电压/电流来进行控制的场合
直流电机的转速控制
例子参见p354-p356。
应用举例
【例1】 锯齿波的产生。
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。
D0 ～ D7 CS
写输入 寄存器
WR1 ILE （高电平）
写DAC 寄存器
WR2 XFER
（模拟输出电流变化）
工作方式
单缓冲方式
保持
对于慢速变化的信号，可省略采样保持电路
采样保持电路（S/H）
由MOS管采样开关T、保持电容Ch和运放构成的跟随器三部 分组成。
Vin
采样控制
T
Ch
S(t)
－
＋
Vout
采样控制信号S(t)=1时，T导通，Vin向Ch充电，Vc和Vout跟
踪Vin变化，即对Vin采样。S(t)=0时，T截止，Vout将保持前一 瞬间采样的数值不变。
间不同，波形周期不同，锯齿波的斜率就不同。
【例2】 三角波的产生。
在原有硬件电路的基础上，换用下述程序即可产生三角波。
MOV MOV DX，0E000H AL，0H ；输出数据从0开始
L2：OUT
INC AL JNZ L2
DX，AL
；输出数据加1 ；AL是否加满？未满，继续
MOV
L3：OUT DEC
＋5V 15 k 15 k
DB
DAC VFB 0830 0831 IOUT2 0832 IOUT1 AGND
VREF
－ ＋
7.5 k VO
－ ＋
VO
双缓冲方式的程序段示例
本例中三个端口地址的用途：
port1 选择0832-1的输入寄存器 port2 选择0832-2的输入寄存器 port3 选择0832-1和0832-2的DAC寄存器
信号处理（Signal Processing）
多路转换开关（Multiplexer）
采样保持电路（Sample Holder，S/H）
A/D变换器（A/D Converter）
模拟量输出通道
D/A变换器（D/A Converter）
数字量转换为模拟量
平滑输出波形 提供足够的驱动电压，电流
Ch.8 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
概述
模拟量I/O接口的作用：
实际工业生产环境——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、十进制数
工业生产过程的闭环控制
V VFULL 1/2 LSB
0
tC
t
8.2.2 典型D/A转换器
DAC0832 CS 特性： WR1 8位电流输出型D/A转换器 AGND T型电阻网络 DI 3 差动输出 DI 2 DI1 引线图见教材p351
DI 0 VREF R fb DGND
1 20 2 19 3 18 4 DAC 17 5 0832 16 6 15 7 14 8 13 9 12 10 11
采样保持电路的波形
Vin
S(t)
Vout
进行A/D转换时所用
的输入电压，就是对保 持下来的采样电压（每 次采样结束时的输入电 压）进行转换。
算 机 00101101
输出通道
执行 机构 放大 驱动 D/A 转换 输出 接口
程
模拟电路的任务
模拟接口电路的任务
模拟量输入通道
传感器（Transducer）
非电量→电压、电流
变送器（Transformer）
转换成标准的电信号
放大、整形、滤波 多选一 保证变换时信号恒定不变 模拟量转换为数字量
直通方式
双缓冲方式——同步转换举例
port1 0832-1
A10-A0 译码器 port2 0832-2
port3
输出方式
DAC0830为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出时， 需要外接一个运算放大器。 (1) 单极性模拟电压输出。如果参考电压为+5 V，则当数字
量N从00H至FFH变化时，对应的模拟电压VO的输出范围是－
低通滤波
放大驱动
8.2 数/模（D/A）变换器
8.2.1 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 Rf 基本结构如图：
模拟开关 电阻网络
数字量
∑
VO Vref
D/A变换原理
n
若Si=1,该项对VO有贡献 若Si=0,该项对VO无贡献
与上式相对应的电路如下(图中n=8)：
2R
S1 S2 4R 8R 16R S4 32R S5
Rf
S3
Vref
64R S6 128R S7 S8 256R
VO
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S1～ S8(Di=1时Si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。
MOV AL，data MOV DX，port1 OUT DX，AL MOV DX，port2 OUT DX，AL MOV DX，port3 OUT DX，AL HLT
; 要转换的数据送AL ; 0832-1的输入寄存器地址送DX ; 数据送0832-1的输入寄存器 ; 0832-2输入寄存器地址送DX ; 数据送0832-2的输入寄存器 ; DAC寄存器端口地址送DX ; 数据送DAC寄存器，并启动同步转换
8255A PA ～ PA 0 7 PB 4 PB 3 PB 2 PB 1 PB 0 DAC0830 D0～ D VREF 7 ILE RFB CS IOUT2 WR1 IOUT1 WR 2 XFER ＋5 V － ＋
8086 或 8088
VO
控制程序清单如下： ；8255A初始化
MOV
MOV OUT
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
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。见教材p352图。 转换要有两个步骤：
双缓冲方式（标准方式）
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转换可异步进行； 可实现多个DAC同步转换输出——分时写入、同步转换 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)。
采样/保持：由采样保持电路（S/H）完成 量化/编码：由ADC电路完成（ADC：AD变换器）
1) 采样和保持
采样
将一个时间上连续变化的模拟量转为时间上断续变化的 （离散的）模拟量。 或：把一个时间上连续变化的模拟量转换为一个脉冲串， 脉冲的幅度取决于输入模拟量。
将采样得到的模拟量值保持下来，使之等于采样控制脉 冲存在的最后瞬间的采样值。 目的： A/D转换期间保持采样值恒定不变。
模拟量
传感器
A/D
数字量
计算机
数字量
D/A
模拟量
执行元件
模拟量输入 (数据采集)
模拟量输出 (过程控制)
8.1 模拟量I/O通道的组成
输入通道
工 业 生 产 过 物理量 变换 传 感 器 放大 滤波 多路转换 & 采样保持
A/D 转换
输入 接口
10101100
微 型
计 信号 处理 信号 变换 I/O 接口
n
… Rn
∑
VO
令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一 基准电压Vref，则有
1 1 V0 = -Rf i Vref = - i Vref i=1 2 Rf i=1 2
n
n
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
1 V0 = - i SiVref i=1 2
0～5 V，如下图所示。
DB DAC 0830 0831 0832 V R EF V FB IOUT2 IOUT1 A GND － ＋ V O ＋5 V
(2) 双极性模拟电压输出。如果要输出双极性电压，则需
在输出端再加一级运算放大器作为偏移电路，如下图所示。当
数字量N从00H至FFH变化时，对应的模拟电压VO的输出范围 是－5～+5 V。
可以看出，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(见 下页)，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。
R-2R梯形电阻网络
Rf n-1 2 1 0
Vi
+
V0
2R Vref Vn-1 R
AL，0FFH
DX，AL AL
；已满，AL置全“1”
；输出数Байду номын сангаас减1
JNZ
JMP
L3
L2
；AL是再减到“0”？不是，继续
8.3 模/数（A/D）转换器
用途
将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便 于计算机进行处理。 常用于数据采集系统或数字化声音。
采样→保持→量化→编码
A/D转换的四个步骤
…
2R R V2
2R R V1
2R 2R V0
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)=5/1023=0.004888V=4.888mV
＆
LE1
Rfb AGND(模拟地)
20 VCC(+5V或+15V）
≥1
10 DAC0832框图
DGND（数字地）
引脚功能
D7～D0：输入数据线 ILE：输入锁存允许 CS：片选信号 WR1：写输入锁存器
用于把数据写入到输入锁存器
WR2：写DAC寄存器 XFER：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器 上述二个信号用于启动转换 VREF：参考电压，-10V～+10V，一般为+5V或+10V IOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入 Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出 AGND、DGND：模拟地和数字地
VCC
ILE WR2 XFER DI 4 DI 5 DI 6 DI 7 I OUT 2 I OUT1
DAC0832内部结构
输入数据 D0～ D7 ILE 19 CS WR1 WR2 18 XFER 17 1 2 8 位 输入 13 ～16 寄存 器 4～ 7 8 位 DAC ～ 寄存 器 LE2 8 位 D/A 转换 器 Rfb 8 V REF 12 IOUT2 11 IOUT1 9 3
运放的放大倍数足够大时，输出电压Vo与输 入电压Vin的关系为：
Rf VO = - Vin R
式中：Rf 为反馈电阻 R 为输入电阻 R Vin
∑
Rf
Vo
若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入 电压Vi的关系为：
1 V0 = -Rf Vin i=1 Ri
Rf
式中：Ri 为第i支路的输 入电阻 Vin R1
；设置初值
L1：
INC NOP JMP
OUT DX，AL
AL
；向DAC送数据
；输出数据加1 ；延时
L1
通过AL加1，可得到正向的锯齿波。如要得到负向的锯齿
波，则只要将程序中的INC AL改为DEC AL即可。可以通过延
时的办法改变锯齿波的周期，若延迟时间较短，则可用NOP指
令来实现；若延迟时间较长，则可用一个延时子程序。延迟时
DX，0E003H ；8255A的控制端口地址
AL，80H DX，AL ；设置8255A的方式字
；B口控制DAC的转换 MOV MOV OUT DX，0E001H ；8255A的B口地址 AL，10H DX，AL ；置0830为直通工作方式
；生成锯齿波
MOV
MOV
DX，0E000H
AL，0H
；设置DAC端口号
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。
用不同的数值产生不同的电压，控制电机的转速 其他需要用电压/电流来进行控制的场合
直流电机的转速控制
例子参见p354-p356。
应用举例
【例1】 锯齿波的产生。
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。
D0 ～ D7 CS
写输入 寄存器
WR1 ILE （高电平）
写DAC 寄存器
WR2 XFER
（模拟输出电流变化）
工作方式
单缓冲方式
保持
对于慢速变化的信号，可省略采样保持电路
采样保持电路（S/H）
由MOS管采样开关T、保持电容Ch和运放构成的跟随器三部 分组成。
Vin
采样控制
T
Ch
S(t)
－
＋
Vout
采样控制信号S(t)=1时，T导通，Vin向Ch充电，Vc和Vout跟
踪Vin变化，即对Vin采样。S(t)=0时，T截止，Vout将保持前一 瞬间采样的数值不变。
间不同，波形周期不同，锯齿波的斜率就不同。
【例2】 三角波的产生。
在原有硬件电路的基础上，换用下述程序即可产生三角波。
MOV MOV DX，0E000H AL，0H ；输出数据从0开始
L2：OUT
INC AL JNZ L2
DX，AL
；输出数据加1 ；AL是否加满？未满，继续
MOV
L3：OUT DEC
＋5V 15 k 15 k
DB
DAC VFB 0830 0831 IOUT2 0832 IOUT1 AGND
VREF
－ ＋
7.5 k VO
－ ＋
VO
双缓冲方式的程序段示例
本例中三个端口地址的用途：
port1 选择0832-1的输入寄存器 port2 选择0832-2的输入寄存器 port3 选择0832-1和0832-2的DAC寄存器
信号处理（Signal Processing）
多路转换开关（Multiplexer）
采样保持电路（Sample Holder，S/H）
A/D变换器（A/D Converter）
模拟量输出通道
D/A变换器（D/A Converter）
数字量转换为模拟量
平滑输出波形 提供足够的驱动电压，电流
Ch.8 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
概述
模拟量I/O接口的作用：
实际工业生产环境——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、十进制数
工业生产过程的闭环控制
V VFULL 1/2 LSB
0
tC
t
8.2.2 典型D/A转换器
DAC0832 CS 特性： WR1 8位电流输出型D/A转换器 AGND T型电阻网络 DI 3 差动输出 DI 2 DI1 引线图见教材p351
DI 0 VREF R fb DGND
1 20 2 19 3 18 4 DAC 17 5 0832 16 6 15 7 14 8 13 9 12 10 11
采样保持电路的波形
Vin
S(t)
Vout
进行A/D转换时所用
的输入电压，就是对保 持下来的采样电压（每 次采样结束时的输入电 压）进行转换。
算 机 00101101
输出通道
执行 机构 放大 驱动 D/A 转换 输出 接口
程
模拟电路的任务
模拟接口电路的任务
模拟量输入通道
传感器（Transducer）
非电量→电压、电流
变送器（Transformer）
转换成标准的电信号
放大、整形、滤波 多选一 保证变换时信号恒定不变 模拟量转换为数字量
直通方式
双缓冲方式——同步转换举例
port1 0832-1
A10-A0 译码器 port2 0832-2
port3
输出方式
DAC0830为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出时， 需要外接一个运算放大器。 (1) 单极性模拟电压输出。如果参考电压为+5 V，则当数字
量N从00H至FFH变化时，对应的模拟电压VO的输出范围是－
低通滤波
放大驱动
8.2 数/模（D/A）变换器
8.2.1 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 Rf 基本结构如图：
模拟开关 电阻网络
数字量
∑
VO Vref
D/A变换原理
n
若Si=1,该项对VO有贡献 若Si=0,该项对VO无贡献
与上式相对应的电路如下(图中n=8)：
2R
S1 S2 4R 8R 16R S4 32R S5
Rf
S3
Vref
64R S6 128R S7 S8 256R
VO
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S1～ S8(Di=1时Si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。
MOV AL，data MOV DX，port1 OUT DX，AL MOV DX，port2 OUT DX，AL MOV DX，port3 OUT DX，AL HLT
; 要转换的数据送AL ; 0832-1的输入寄存器地址送DX ; 数据送0832-1的输入寄存器 ; 0832-2输入寄存器地址送DX ; 数据送0832-2的输入寄存器 ; DAC寄存器端口地址送DX ; 数据送DAC寄存器，并启动同步转换
8255A PA ～ PA 0 7 PB 4 PB 3 PB 2 PB 1 PB 0 DAC0830 D0～ D VREF 7 ILE RFB CS IOUT2 WR1 IOUT1 WR 2 XFER ＋5 V － ＋
8086 或 8088
VO
控制程序清单如下： ；8255A初始化
MOV
MOV OUT
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
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。见教材p352图。 转换要有两个步骤：
双缓冲方式（标准方式）
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转换可异步进行； 可实现多个DAC同步转换输出——分时写入、同步转换 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)。
采样/保持：由采样保持电路（S/H）完成 量化/编码：由ADC电路完成（ADC：AD变换器）
1) 采样和保持
采样
将一个时间上连续变化的模拟量转为时间上断续变化的 （离散的）模拟量。 或：把一个时间上连续变化的模拟量转换为一个脉冲串， 脉冲的幅度取决于输入模拟量。
将采样得到的模拟量值保持下来，使之等于采样控制脉 冲存在的最后瞬间的采样值。 目的： A/D转换期间保持采样值恒定不变。
模拟量
传感器
A/D
数字量
计算机
数字量
D/A
模拟量
执行元件
模拟量输入 (数据采集)
模拟量输出 (过程控制)
8.1 模拟量I/O通道的组成
输入通道
工 业 生 产 过 物理量 变换 传 感 器 放大 滤波 多路转换 & 采样保持
A/D 转换
输入 接口
10101100
微 型
计 信号 处理 信号 变换 I/O 接口
n
… Rn
∑
VO
令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一 基准电压Vref，则有
1 1 V0 = -Rf i Vref = - i Vref i=1 2 Rf i=1 2
n
n
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
1 V0 = - i SiVref i=1 2
0～5 V，如下图所示。
DB DAC 0830 0831 0832 V R EF V FB IOUT2 IOUT1 A GND － ＋ V O ＋5 V
(2) 双极性模拟电压输出。如果要输出双极性电压，则需
在输出端再加一级运算放大器作为偏移电路，如下图所示。当
数字量N从00H至FFH变化时，对应的模拟电压VO的输出范围 是－5～+5 V。
可以看出，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(见 下页)，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。
R-2R梯形电阻网络
Rf n-1 2 1 0
Vi
+
V0
2R Vref Vn-1 R
AL，0FFH
DX，AL AL
；已满，AL置全“1”
；输出数Байду номын сангаас减1
JNZ
JMP
L3
L2
；AL是再减到“0”？不是，继续
8.3 模/数（A/D）转换器
用途
将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便 于计算机进行处理。 常用于数据采集系统或数字化声音。
采样→保持→量化→编码
A/D转换的四个步骤
…
2R R V2
2R R V1
2R 2R V0
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)=5/1023=0.004888V=4.888mV