第6讲 模拟量输入输出
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逐次比较---DAC+比较器 +SAR（逐次 逼近寄存器）
模数转换器ADC性能指标
分辨率（LSB）所对应的模入电平值；1/2n Vref (单极性)； 精度 1，1/2，LSB（绝对：理想与实际差的max：mv /相对：vs.FS， %） 转换时间 Tc，转换速率 1/Tc AD574 --35μs，30KHZ；AD578 5μs， 200KHZ 电源灵敏度 (PS Rejection) （1%变化/参数）转换误差nLSB； (AD574: 15V±1.5/12V±0.6;5V±0.5,n=1~2) 量程 单/双极性范围（AD574A:0~10V,0~20V/-5~+5V,-10V~+10V)； 输出电平（多TTL）与接口（μP8/16位）/数据格式（BCD/BIN）： （是否三态；锁存） 8/10/12/14/16bits 3 1/2, 4 1/2, 5 ½--逻辑设计 启 动转换，EOC条件，结果读取 温度范围（存、用军-55~125（工）民0~70℃） 其他 温漂(nLSBppm/℃)功耗(850mWAD574A)输入电阻(~10K) 输入转换整体精度的影响因素 （Vref, V+/V-/Vcc,L-err, Resol,T）
Analog Multiplexer----N-1，1-N 分时使用1端器件 典型MUX芯片 单向/双向 CD4051B 8-1 双向，带INH端（=0使能）； LF13508（NSC）/DG508 8-1; LF13509 差分输入四选一 AD7501/3八选一单向(7501EN=0/7302EN=1);CD7502双四选一 逻辑关系简单：通道选择信号需外加锁存；电平匹配问题 CMOS+5时TTL兼容；+15V时HTL
AD1674(10μs+内部S/H)
ADC 0809 (Top View)
D3
D7
D6
D5
D4
D0
D1
D2
ADC0809功能结构
输入信号: GND– 0.1V~VCC +0.1V Ri 1K(min) /2.5K(Typ)
（ALE上升 沿锁存地址 编码）
（min 10K,Typ640K,max 1280K） (Vin-Vref-) *256 (Vref+-Vref-)
典型ADC芯片
(1)MC14433：3（1/2）精度，自校零，自动极性；字位动态 BCD，千~个位轮流在Q0~Q3上输出，DS1~DS34同步字典位 选通对应Q0~Q3上1/2（千位，含符号）、百、十、个输出， 宽18CLK），1~10HZ; DU转换更新（EOC为1/2CLK周期宽 正脉冲，/OR为过量程输出） (Vref=+2/+200mV, R1、C1改变时钟频率，2V时R1=0.1μF， R1=470K，200mV时R1=27K) (2)ADC0809：逐次逼近式8位ADC带μP接口、8路Multiplexer， 100μs (3)AD574A 12位逐次逼近式带Vref和时钟，μP接口,高速ADC 35μs 兼容芯片:AD674B(15μs),AD774B:(8μs )
典型DAC(一) 8位DAC0832(P368)
单 电 源 ： +5V~+15V ； Vref:10V~+10V；低功耗：20mW；分 辨 率 ： 8 位 ； 线 性 误 差 ： 0. 2%(FS) ； NL 误 差 ： 0.4%(FS) ； 建 立 时 间 ： 1μs ； 温 度 系 数 ： 200ppm/℃；输出方式：电流。
加载高8位输入锁 覆盖低4位 存(低4位也改变) 输入锁存
12位传送到DAC
模数转换器ADC
分类：双积分/逐次比较/ V/F型
二重积分/双积分式（比较两个积分时间：计数）先积分Vi时间到 VA=T0*Vi/RC, 再 切 换 到 Vref, ( 放 电 至 0)VA=-T1*Vref/RC----Vi=Vref* T1/T0 (计时由时钟脉冲计数得到)----积分器+比较器+计数器 ms级, 抗串模干扰(0均值)。
复习：运算放大器
输出通道:(精度,同步输出,输出保持--动态扫描)
数字量 (MPU)
DAC Vref
调理 V/I
MUX, S/H
放大 驱动
执行 机构
DAC原理
Vref
参见书P365 图6.3
R-2R梯形电阻网络
等效电阻=R
Rfb
Iout1
V0 Iout2
DAC接口电路原理
D/A转换器原理框图 电压型／电流型（外接ＯＰ：同相／反相输出）
(288H) MOV DX,288H OUT DX,AL
有效数据
DAC 0832三种工作方式
（3）双缓冲方式 分别控制输入寄存器和DAC寄存器，此方式适用于多路D/A同 时输出的情形：使各路数据分别锁存于各输入寄存器，然后同 时（相同控制信号）打开各DAC寄存器、实现同步转换。
有效数据
输入寄存器更新 模出更新
2.基准地----DGND---AGND单点共地 3.电气隔离问题 4.基准源 5.MPU接口
4通道同步30MS/s模拟量输入卡
主要特点： ·12位A/D转换器的采 样速率可达30MS/s ·4路单端模拟量输入 ·每个输入通道的增益 可编程 ·32k板载FIFO ·4个A/D转换器同时采 样 ·多种A/D触发模式 ·可编程触发器/定时器
ADC0809工作时序
CLK(1/F) =1/ 640KHZ
启动
OE=1读允许
EOCOE或 EOCIRQ申请中断
CH选择
ADC0809典型应用
通道地址
12位高速ADC--AD574A
AD674B/AD774B
AD1674
ADC内部结构
AD574A 管脚兼容
AD574A单极性输入
MPU 数据 总线
JNZ TEST MOV DX，DR1 IN AL，DX MOV BH，AL MOV DX，DR2 IN AL，DX MOV BL，AL
跳码现象与数字滤波的概念
平均滤波（>4），MAX-MIN平均（5），一阶惯性滤波，区间 滑动滤波（实验P70）
多路转换器Multiplexer(MUX)
用途（作用）:信号复用 机械（干簧继电器、水银R等）：导通电阻小，断开高阻隔离， 百万次，400HZ 电 子 模 拟 开 关 ： 晶 体 管 、 场 效 应 管 、 IC 导 通 电 阻 大 （ 几 十 （百）欧姆），断开高阻不独立，隔离？(信号限制--共模电压) 高速
第六章 模拟量输入输出
*基本功能 *一般连结关系 6.1 模拟通道接口 (Analog Signal Input and Output)
*概念： 模拟通道的组成 转换接口电路 基准地 电压基准源； *ADC/DAC线性转换关系
生产过程控制系统结构示意图
I/O通道 信号调理
检测/控制
操作台
模拟量
过
传感器
VrLeabharlann Baiduf
传感器 调理放大 MUX
S/H
ADC
数字量 (MPU)
Multiplexer：（6.4 ）多路转换器（开关，（模拟）多路(电子)开关
1-N,N-1,N选一）：N路入一路输出：巡回扫描/分时转换；
Sample/Holder：(6.5) 捕捉后保持信号（电容）
Voltage reference: 电压基准源
AD574A双极性输入
AD574A逻辑真值表
VCC
DGND
AD574转换时序
AD574读时序
AD574A应用(参见p388 图6.26)
程序：查询式（有无问题？）
START： MOV DX，DR0
OUT DX，AL
MOV DX，DR3
TEST：
IN AL，DX
;???
TEST AL，80H
程
I/O接口 A/D 输入调理
变送器
对
打印机
象
微 I/O接口 D/A V/I变换
执行机构
︵
机
数字量
被
显示器
主 机
I/O接口 DI
电平变换
传感器
控 对
I/O接口 DO 功放驱动
执行机构
象
︶
频率、其他
I/O接口 变换 信号处理 传感、执行
模拟量I/O接口
模拟量的概念（信号连续量）：DC-V(mv)/mA(V)典型： 过程控制、各类监控/自动化系统
Vref D
Iout1=
×
R 256
DAC0832功能结构图
CPU数据
基准电压源
输出 （I）
CPU控制
双缓冲结构
DAC 0832三种工作方式
输入锁存器和DAC寄存器的不同的控制: （1）直通方式 输入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式。此时提供给DAC 的数据，必须来自锁存端口(/LE1=/LE2=0); （2）单缓冲方式 控制输入寄存器和DAC寄存器同时跟随或锁存数据，或只控制 这两个寄存器之一，而另一个接成直通方式(/LE=0)。此方式 适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量非同步输出的情形。
转换输入输出:实验P22输入：V/F 计数器------输出：计 数器 F/V(LM331)；PWM调宽（时间）
MPU
T/C
8253/ 8254
F/V
脉冲 频率
V/F
ADC/DAC
模 拟 信 号 Ｖ／Ｉ
模拟量转换与I/O通道
1. 模数转换--ADC 数模转换--DAC
Analog to Digital Converter/ Digital to Analog Converter 2. 模入与模出通道的组成： 输入通道: (高精度测量,1%~0.05%,可分时采样,同步采样)
DAC主要技术指标 （P367）
分辨率 Resolution （LSB）所对应的模出电流(压)值 满量程稳定（建立）时间(setting time) 电压型（输出电平）／电流范围绝对精度（对应max数字量： 单位LSB） （最大）相对精度（单位LSB或%） Full-scale error 线性误差（最大值）Linear Error 温度系数(xxx vs. Temperature) 电源灵敏度(Power supply sensitivity) 接口方式
基准电压源Vref
AD584（2.500V/5.000/7.500/10.00V）; AD580 2.500V;AD581-10.00V; LM336-2.5/5; 5.0V+/-0.1V; <10mA 7805--5+/-0.25V
+10V
3.9K
Vref
模拟接口电路应用与小结
1.DAC-ADC-MUX-S/H: 模拟I/O通道 (精度--分辨率)
DAC 0832同步转换控制(接口)
DB
典型DAC(二)12位DAC1210
高8位
锁存
(B1=1)
低4位
DAC1210控制时序:自动传输
有效数据
有效数据
XFER=0
高8位锁存(低4位 锁存也已变
覆盖低4位,全部12 位传送到DAC
DAC1210控制时序:
独立处理器传输控制
有效数据
有效数据
OUT DX,AL ;OUT DX,AL
采样／保持器（Sample/Holder)
作用：快变模拟信号转换误差<量化误差 参数：工作电压；捕捉时间；输入电阻；输出电阻;封装;功耗
K闭合：跟随 K 断开: 保持
常用S/H芯片 LF1/2/398,AD582K.AD583K
典型S/H芯片
LF1/2/398 ； ±5V~±18V ； 10μs （ 10V 变 化 0.1% 精 度 1000PF ， 4μs ； 0.01μsF,20μs ）0.01μF,0.01%时为25us,HOLD下降率3mV/S）; 0.002%增益 精度;(6μs0.01%)MΩ,Ω;DIP8P/SOP14/Mmetal Can8; 500mW; 工艺Bi-FET; 控制<LR基准 HOLD>基准 1—SAMPLE（跟踪）(直接接 TTL，CMOS，PMOS电平；门坎电压1.4V)；捕捉时间/保持下降率与Ch 有关；Ch最好为聚苯/聚四氟乙烯电容。
AD7501 多路复用开关
LF13508/13509 MUX 逻辑结构
ＭＵＸ主要性能参数
Ron：导通电阻(170~300欧),Ronvs接通电阻的温度漂移(.5%/℃)。 Is(off)：漏电流。在开关断开时,仍有电流通过开关（0.2~2nA）。 Iout(off)：开关断开时，输出端的电流。(1~10nA)。 ton(μs)：选通信号EN达到50％到开关接通的时间延迟。(0.8μs); toff (0.8)。 Ts：选通信号EN达到50％到开关断开时的延迟。 Cs：开关断开时，开关对地电容。(5pF); Cout开关断开时，输出端 对地电容。(30pF) Topen：切换时间。从一个通道接通状态到另一个通道接通状态之间 两个开关断开的时间。 电源：电源电压VDD、VSS和VEE 。模拟开关能接通的最大模拟电压范 围为？（VDD~VEE）。 Is：开关电流（switch current）。
模数转换器ADC性能指标
分辨率（LSB）所对应的模入电平值；1/2n Vref (单极性)； 精度 1，1/2，LSB（绝对：理想与实际差的max：mv /相对：vs.FS， %） 转换时间 Tc，转换速率 1/Tc AD574 --35μs，30KHZ；AD578 5μs， 200KHZ 电源灵敏度 (PS Rejection) （1%变化/参数）转换误差nLSB； (AD574: 15V±1.5/12V±0.6;5V±0.5,n=1~2) 量程 单/双极性范围（AD574A:0~10V,0~20V/-5~+5V,-10V~+10V)； 输出电平（多TTL）与接口（μP8/16位）/数据格式（BCD/BIN）： （是否三态；锁存） 8/10/12/14/16bits 3 1/2, 4 1/2, 5 ½--逻辑设计 启 动转换，EOC条件，结果读取 温度范围（存、用军-55~125（工）民0~70℃） 其他 温漂(nLSBppm/℃)功耗(850mWAD574A)输入电阻(~10K) 输入转换整体精度的影响因素 （Vref, V+/V-/Vcc,L-err, Resol,T）
Analog Multiplexer----N-1，1-N 分时使用1端器件 典型MUX芯片 单向/双向 CD4051B 8-1 双向，带INH端（=0使能）； LF13508（NSC）/DG508 8-1; LF13509 差分输入四选一 AD7501/3八选一单向(7501EN=0/7302EN=1);CD7502双四选一 逻辑关系简单：通道选择信号需外加锁存；电平匹配问题 CMOS+5时TTL兼容；+15V时HTL
AD1674(10μs+内部S/H)
ADC 0809 (Top View)
D3
D7
D6
D5
D4
D0
D1
D2
ADC0809功能结构
输入信号: GND– 0.1V~VCC +0.1V Ri 1K(min) /2.5K(Typ)
（ALE上升 沿锁存地址 编码）
（min 10K,Typ640K,max 1280K） (Vin-Vref-) *256 (Vref+-Vref-)
典型ADC芯片
(1)MC14433：3（1/2）精度，自校零，自动极性；字位动态 BCD，千~个位轮流在Q0~Q3上输出，DS1~DS34同步字典位 选通对应Q0~Q3上1/2（千位，含符号）、百、十、个输出， 宽18CLK），1~10HZ; DU转换更新（EOC为1/2CLK周期宽 正脉冲，/OR为过量程输出） (Vref=+2/+200mV, R1、C1改变时钟频率，2V时R1=0.1μF， R1=470K，200mV时R1=27K) (2)ADC0809：逐次逼近式8位ADC带μP接口、8路Multiplexer， 100μs (3)AD574A 12位逐次逼近式带Vref和时钟，μP接口,高速ADC 35μs 兼容芯片:AD674B(15μs),AD774B:(8μs )
典型DAC(一) 8位DAC0832(P368)
单 电 源 ： +5V~+15V ； Vref:10V~+10V；低功耗：20mW；分 辨 率 ： 8 位 ； 线 性 误 差 ： 0. 2%(FS) ； NL 误 差 ： 0.4%(FS) ； 建 立 时 间 ： 1μs ； 温 度 系 数 ： 200ppm/℃；输出方式：电流。
加载高8位输入锁 覆盖低4位 存(低4位也改变) 输入锁存
12位传送到DAC
模数转换器ADC
分类：双积分/逐次比较/ V/F型
二重积分/双积分式（比较两个积分时间：计数）先积分Vi时间到 VA=T0*Vi/RC, 再 切 换 到 Vref, ( 放 电 至 0)VA=-T1*Vref/RC----Vi=Vref* T1/T0 (计时由时钟脉冲计数得到)----积分器+比较器+计数器 ms级, 抗串模干扰(0均值)。
复习：运算放大器
输出通道:(精度,同步输出,输出保持--动态扫描)
数字量 (MPU)
DAC Vref
调理 V/I
MUX, S/H
放大 驱动
执行 机构
DAC原理
Vref
参见书P365 图6.3
R-2R梯形电阻网络
等效电阻=R
Rfb
Iout1
V0 Iout2
DAC接口电路原理
D/A转换器原理框图 电压型／电流型（外接ＯＰ：同相／反相输出）
(288H) MOV DX,288H OUT DX,AL
有效数据
DAC 0832三种工作方式
（3）双缓冲方式 分别控制输入寄存器和DAC寄存器，此方式适用于多路D/A同 时输出的情形：使各路数据分别锁存于各输入寄存器，然后同 时（相同控制信号）打开各DAC寄存器、实现同步转换。
有效数据
输入寄存器更新 模出更新
2.基准地----DGND---AGND单点共地 3.电气隔离问题 4.基准源 5.MPU接口
4通道同步30MS/s模拟量输入卡
主要特点： ·12位A/D转换器的采 样速率可达30MS/s ·4路单端模拟量输入 ·每个输入通道的增益 可编程 ·32k板载FIFO ·4个A/D转换器同时采 样 ·多种A/D触发模式 ·可编程触发器/定时器
ADC0809工作时序
CLK(1/F) =1/ 640KHZ
启动
OE=1读允许
EOCOE或 EOCIRQ申请中断
CH选择
ADC0809典型应用
通道地址
12位高速ADC--AD574A
AD674B/AD774B
AD1674
ADC内部结构
AD574A 管脚兼容
AD574A单极性输入
MPU 数据 总线
JNZ TEST MOV DX，DR1 IN AL，DX MOV BH，AL MOV DX，DR2 IN AL，DX MOV BL，AL
跳码现象与数字滤波的概念
平均滤波（>4），MAX-MIN平均（5），一阶惯性滤波，区间 滑动滤波（实验P70）
多路转换器Multiplexer(MUX)
用途（作用）:信号复用 机械（干簧继电器、水银R等）：导通电阻小，断开高阻隔离， 百万次，400HZ 电 子 模 拟 开 关 ： 晶 体 管 、 场 效 应 管 、 IC 导 通 电 阻 大 （ 几 十 （百）欧姆），断开高阻不独立，隔离？(信号限制--共模电压) 高速
第六章 模拟量输入输出
*基本功能 *一般连结关系 6.1 模拟通道接口 (Analog Signal Input and Output)
*概念： 模拟通道的组成 转换接口电路 基准地 电压基准源； *ADC/DAC线性转换关系
生产过程控制系统结构示意图
I/O通道 信号调理
检测/控制
操作台
模拟量
过
传感器
VrLeabharlann Baiduf
传感器 调理放大 MUX
S/H
ADC
数字量 (MPU)
Multiplexer：（6.4 ）多路转换器（开关，（模拟）多路(电子)开关
1-N,N-1,N选一）：N路入一路输出：巡回扫描/分时转换；
Sample/Holder：(6.5) 捕捉后保持信号（电容）
Voltage reference: 电压基准源
AD574A双极性输入
AD574A逻辑真值表
VCC
DGND
AD574转换时序
AD574读时序
AD574A应用(参见p388 图6.26)
程序：查询式（有无问题？）
START： MOV DX，DR0
OUT DX，AL
MOV DX，DR3
TEST：
IN AL，DX
;???
TEST AL，80H
程
I/O接口 A/D 输入调理
变送器
对
打印机
象
微 I/O接口 D/A V/I变换
执行机构
︵
机
数字量
被
显示器
主 机
I/O接口 DI
电平变换
传感器
控 对
I/O接口 DO 功放驱动
执行机构
象
︶
频率、其他
I/O接口 变换 信号处理 传感、执行
模拟量I/O接口
模拟量的概念（信号连续量）：DC-V(mv)/mA(V)典型： 过程控制、各类监控/自动化系统
Vref D
Iout1=
×
R 256
DAC0832功能结构图
CPU数据
基准电压源
输出 （I）
CPU控制
双缓冲结构
DAC 0832三种工作方式
输入锁存器和DAC寄存器的不同的控制: （1）直通方式 输入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式。此时提供给DAC 的数据，必须来自锁存端口(/LE1=/LE2=0); （2）单缓冲方式 控制输入寄存器和DAC寄存器同时跟随或锁存数据，或只控制 这两个寄存器之一，而另一个接成直通方式(/LE=0)。此方式 适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量非同步输出的情形。
转换输入输出:实验P22输入：V/F 计数器------输出：计 数器 F/V(LM331)；PWM调宽（时间）
MPU
T/C
8253/ 8254
F/V
脉冲 频率
V/F
ADC/DAC
模 拟 信 号 Ｖ／Ｉ
模拟量转换与I/O通道
1. 模数转换--ADC 数模转换--DAC
Analog to Digital Converter/ Digital to Analog Converter 2. 模入与模出通道的组成： 输入通道: (高精度测量,1%~0.05%,可分时采样,同步采样)
DAC主要技术指标 （P367）
分辨率 Resolution （LSB）所对应的模出电流(压)值 满量程稳定（建立）时间(setting time) 电压型（输出电平）／电流范围绝对精度（对应max数字量： 单位LSB） （最大）相对精度（单位LSB或%） Full-scale error 线性误差（最大值）Linear Error 温度系数(xxx vs. Temperature) 电源灵敏度(Power supply sensitivity) 接口方式
基准电压源Vref
AD584（2.500V/5.000/7.500/10.00V）; AD580 2.500V;AD581-10.00V; LM336-2.5/5; 5.0V+/-0.1V; <10mA 7805--5+/-0.25V
+10V
3.9K
Vref
模拟接口电路应用与小结
1.DAC-ADC-MUX-S/H: 模拟I/O通道 (精度--分辨率)
DAC 0832同步转换控制(接口)
DB
典型DAC(二)12位DAC1210
高8位
锁存
(B1=1)
低4位
DAC1210控制时序:自动传输
有效数据
有效数据
XFER=0
高8位锁存(低4位 锁存也已变
覆盖低4位,全部12 位传送到DAC
DAC1210控制时序:
独立处理器传输控制
有效数据
有效数据
OUT DX,AL ;OUT DX,AL
采样／保持器（Sample/Holder)
作用：快变模拟信号转换误差<量化误差 参数：工作电压；捕捉时间；输入电阻；输出电阻;封装;功耗
K闭合：跟随 K 断开: 保持
常用S/H芯片 LF1/2/398,AD582K.AD583K
典型S/H芯片
LF1/2/398 ； ±5V~±18V ； 10μs （ 10V 变 化 0.1% 精 度 1000PF ， 4μs ； 0.01μsF,20μs ）0.01μF,0.01%时为25us,HOLD下降率3mV/S）; 0.002%增益 精度;(6μs0.01%)MΩ,Ω;DIP8P/SOP14/Mmetal Can8; 500mW; 工艺Bi-FET; 控制<LR基准 HOLD>基准 1—SAMPLE（跟踪）(直接接 TTL，CMOS，PMOS电平；门坎电压1.4V)；捕捉时间/保持下降率与Ch 有关；Ch最好为聚苯/聚四氟乙烯电容。
AD7501 多路复用开关
LF13508/13509 MUX 逻辑结构
ＭＵＸ主要性能参数
Ron：导通电阻(170~300欧),Ronvs接通电阻的温度漂移(.5%/℃)。 Is(off)：漏电流。在开关断开时,仍有电流通过开关（0.2~2nA）。 Iout(off)：开关断开时，输出端的电流。(1~10nA)。 ton(μs)：选通信号EN达到50％到开关接通的时间延迟。(0.8μs); toff (0.8)。 Ts：选通信号EN达到50％到开关断开时的延迟。 Cs：开关断开时，开关对地电容。(5pF); Cout开关断开时，输出端 对地电容。(30pF) Topen：切换时间。从一个通道接通状态到另一个通道接通状态之间 两个开关断开的时间。 电源：电源电压VDD、VSS和VEE 。模拟开关能接通的最大模拟电压范 围为？（VDD~VEE）。 Is：开关电流（switch current）。