燕山大学：《微机控制技术》第三章 输入输出接口技术

微机控制技术·第3章·输入输出接口技术 第三章输入输出接口技术 3.1前向通道的含义 体现了被测对象与系统相互联系的信号输入通道,原始参数输入通道。由于该通道中主要是传感器和与传 感器有关的信号调节、变换电路,故也可称为传感器接口通道 只要反映外界状态的信号输入通道都可称为前向通道 3.3前向通道中的AD转换与AD转换接口 、AD转换的原理 1计数器式AD转换器 组成: 原理:转换器、计数器和比较器组成。工作时,计数器由零开始计数,将其计数值送往D/A转换器进行 转换,将生成的模拟信号与输入模拟信号在比较器内进行比较,若前者小于后者,则计数值加1,重复D A转换及比较过程。当这个信号值与输出模拟量比较相等时(在允许的误差范围内),比较器输出一个 停止计数信号给计数器,计数器立即停止计数。此时D/A转换器输出的模拟量就为模拟输入值,计数器 的值就是转换成的相应的数字量值 优点:这种A/D转换器结构简单、原理清楚 缺点:它的转换速度与精度之间存在着严重矛盾。即若要转换速度高,则转换器输出与输入的误差就大, 反之亦然。所以在实际中很少使用它。 模拟输人 比较器 D/A转换器 数字输出 计数器 复位 停止计数 2双积分式AD转换器 组成:积分器;比较器:计数器:标准电压源 工作原理 先对模拟输入电压n进行固定时间t的正向积分,积分器的输出电压上升的速率与输入电压vn成正比 当固定时间t1到后,计数器清零,对积分器进行反向积分,并自动按一定的频率进行计数。积分器的输出 电压,从正向积分结束时的Ⅵ1开始以恒定的斜率下降,当反向积分使其积分器输出为零时,关闭计数器 计数,完成一次A/D转换工作 缺点:转换时间较长,一般需要几十毫秒 优点:器件少、使用方便、抗干扰能力强、数据稳定、价格便宜,适用于非快速计算机过程控制系统或精 度要求较高的地方。 双积分式AD转换器示意图

微机控制技术·第 3 章·输入输出接口技术 1 第三章 输入输出接口技术 3.1 前向通道的含义 体现了被测对象与系统相互联系的信号输入通道，原始参数输入通道。由于该通道中主要是传感器和与传 感器有关的信号调节、变换电路，故也可称为传感器接口通道。 只要反映外界状态的信号输入通道都可称为前向通道。 3.3 前向通道中的 A/D 转换与 A/D 转换接口 一、A/D 转换的原理 1 计数器式 A/D 转换器 组成： 原理：转换器、计数器和比较器组成。工作时，计数器由零开始计数，将其计数值送往 D／A 转换器进行 转换，将生成的模拟信号与输入模拟信号在比较器内进行比较，若前者小于后者，则计数值加 1，重复 D ／A 转换及比较过程。当这个信号值与输出模拟量比较相等时（在允许的误差范围内），比较器输出一个 停止计数信号给计数器，计数器立即停止计数。此时 D／A 转换器输出的模拟量就为模拟输入值，计数器 的值就是转换成的相应的数字量值。 优点：这种 A／D 转换器结构简单、原理清楚 缺点：它的转换速度与精度之间存在着严重矛盾。即若要转换速度高，则转换器输出与输入的误差就大， 反之亦然。所以在实际中很少使用它。 2 双积分式 A/D 转换器 组成：积分器；比较器；计数器；标准电压源 工作原理: 先对模拟输入电压 Vin 进行固定时间 t1 的正向积分，积分器的输出电压上升的速率与输入电压 Vin 成正比 当固定时间 t1 到后，计数器清零，对积分器进行反向积分，并自动按一定的频率进行计数。积分器的输出 电压，从正向积分结束时的 VI 开始以恒定的斜率下降，当反向积分使其积分器输出为零时，关闭计数器 计数，完成一次 A/D 转换工作。 缺点：转换时间较长，一般需要几十毫秒。 优点：器件少、使用方便、抗干扰能力强、数据稳定、价格便宜，适用于非快速计算机过程控制系统或精 度要求较高的地方。 ◼ 双积分式 A/D 转换器示意图

微机控制技术·第3章·输入输出接口技术 四积分输田 Q 上较器 控制逻辑 计数器 数据轴出] 双积分式A转换的原理框图 双积分A的正图 3逐次逼近式AD转换器 组成:N位逐次逼近寄存器SAR;DA转换器;比较器:置数选择逻辑电路 原理:对分搜索(P613-19) 优点:转换速度快,转换时间固定 缺点:抗干扰能力差 模拟输入Wx 比较器 数字输出 V位 N位寄存 D/A转换器 启动 控制逻辑 DONE 组成原理优点缺点 计数器式 双积分式 逐次逼近式 A/D转换器的技术指标 量化误差与分辨率 分辨率AD转换器的分辨率是指引起输出数字量变动一个二进制数码最低有效位时,输入模拟量的最小变 化量,小于此最小变化量的输入模拟电压变化,将不会引起输出数字量的变化 例:一个12位AD,输入电压范围10V 1)分辨率 2)能够辨别的最小电压? 解:1)12=0.0244*10 2)5×00244*10-2=0.122*102 量化误差:由于用有限二进制数字对模拟数值进行离散取值(量化)而引起的误差,用e表示 e=fs(nr)-f(nT)

微机控制技术·第 3 章·输入输出接口技术 2 3 逐次逼近式 A/D 转换器 组成：N 位逐次逼近寄存器 SAR；D/A 转换器；比较器；置数选择逻辑电路 原理：对分搜索（P61 3－19） 优点：转换速度快，转换时间固定 缺点：抗干扰能力差 组成 原理 优点 缺点 计数器式 双积分式 逐次逼近式 二、A/D 转换器的技术指标 1 量化误差与分辨率 分辨率 A/D 转换器的分辨率是指引起输出数字量变动一个二进制数码最低有效位时，输入模拟量的最小变 化量，小于此最小变化量的输入模拟电压变化，将不会引起输出数字量的变化。 例：一个 12 位 A/D，输入电压范围 10V， 1） 分辨率？ 2） 能够辨别的最小电压？ 解：1） 2 12 0.0244 *10 2 1 − = 2）5× 2 0.0244*10− =0.122*10-2 量化误差：由于用有限二进制数字对模拟数值进行离散取值（量化）而引起的误差，用 e 表示： ( ) ( ) e = f S nT − f nT

微机控制技术·第3章·输入输出接口技术 ↑f3(n7) f(nT) 6g49 T 2T3T4T5T T 2T3T4T5T 图1.1-8只舍不入的量化过程 6n↑A(m ↑f(n7) 4 gg43g 2q T 2T 3T4T5T T2T374T57 图1.1-9有舍有入的量化过程 2转换精度 AD转换器的转换精度是指AD的实际输出接近于理想输出精确程度。 绝对精度:对于一个给定的数字量,其实际的模拟电压值与理论输入电压值之差称为绝对精度。 由于模拟量是连续的,数字量是离散的,对应于同一个数字量其模拟量的输入不是一个固定值,而是一个 范围,即模拟量和数字量之间不是一一对应关系。如给定的数字量800H,理论上应输入5V电压与之对应 但实际上输入4997V-4999V都可以得到800H。则其绝对误差为: (4.997V+4.999V)/2-5V=-2mV 四、AD转换器选择原则 1)根据前向通道总误差选精度及分辨率 2)根据信号变化率选转换速度 3)环境参数 4)微机接口要求 五、AD转换器举例(ADC0809) 1ADC0809的技术参数

微机控制技术·第 3 章·输入输出接口技术 3 t ( ) fS nT oq 2q 3q 4q 5q 6q T 2T 3T 4T 5T t f (nT) oq 2q 3q 4q 5q 6q T 2T 3T 4T 5T 图 1.1-8 只舍不入的量化过程 t ( ) fS nT oq 2q 3q 4q 5q 6q T 2T 3T 4T 5T t f (nT) oq 2q 3q 4q 5q 6q T 2T 3T 4T 5T 图 1.1-9 有舍有入的量化过程 2 转换精度 A/D 转换器的转换精度是指 A/D 的实际输出接近于理想输出精确程度。 绝对精度：对于一个给定的数字量，其实际的模拟电压值与理论输入电压值之差称为绝对精度。 由于模拟量是连续的，数字量是离散的，对应于同一个数字量其模拟量的输入不是一个固定值，而是一个 范围，即模拟量和数字量之间不是一一对应关系。如给定的数字量 800H，理论上应输入 5V 电压与之对应， 但实际上输入 4.997V－4.999V 都可以得到 800H。则其绝对误差为： （4.997V＋4.999V）/2－5V=－2mV 四、A/D 转换器选择原则 1)根据前向通道总误差选精度及分辨率 2）根据信号变化率选转换速度 3）环境参数 4）微机接口要求 五、A/D 转换器举例（ADC0809） 1 ADC0809 的技术参数

微机控制技术·第3章·输入输出接口技术 CLOCK START 定时和控制 通道 模拟 输入 选择 逐次逼近寄 开关 存器(SAR)8位 比较器 锁存和 数字 ADDA 通道地址 ADDB 锁存和 开关树型 ADDC D/A ALE REF(+) REF() 1)8路8位A/D转换器,即分辨率8位 2)具有转换起停控制端。 3)转换时间为100μs 4)单个+5V电源供电 5)模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。 6)工作温度范围为-40~+85摄氏度 7)低功耗,约15mW 2ADC0809的转换原理 逐次逼近式 ADco809的工作过程是:首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选 通8路模拟输入之一到比较器。 START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换,之后EOC 输出信号变低,指示转换正在进行。直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果 数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时,输出三态门打开,转换结果的数 字量输出到数据总线上 3ADC0809的引脚 8031 存 TstaRt

微机控制技术·第 3 章·输入输出接口技术 4 图：3－22 1）8 路 8 位 A／D 转换器，即分辨率 8 位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为 100μs 4）单个＋5V 电源供电 5）模拟输入电压范围 0～＋5V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-40～＋85 摄氏度 7）低功耗，约 15mW。 2 ADC0809 的转换原理 逐次逼近式 ADC0809 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选 通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A／D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 A／D 转换完成，EOC 变为高电平，指示 A／D 转换结束，结果 数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数 字量输出到数据总线上。 3 ADC0809 的引脚 图 3－29

微机控制技术·第3章·输入输出接口技术 IN0~N7:8路模拟量输入端 2+1~2:8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC:3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路。如表13.2所示 表13.2ADDA、ADDB、ADDC真值表 ADIX ADDH ADDA 输入通道 0 00110 IN. ALE:地址锁存允许信号,输入,高电平有效 START:A/D转换启动信号,输入,高电平有效。 EOC:A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低 电平)。 OE:数据输出允许信号,输入,高电平有效。当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开 输出三态门,输出数字量 CLK:时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHz。 REF(+)、REF(-):基准电压。 vcc:电源,单一+5V。 GND:地 4ADC0809的应用 例2.5如图3-29所示,査询方式编写程序讲8路模拟信号轮流采样一次,并依次把结果存到#data 开始的单元 解: 查询方式程序清单: ORG1000H MAIN: MOV RI, #DATA MOV DPTR, #7FF8H MOVR7,#08H:采样通道 LOOP. MOVX@DPIR,A;启动转换 MOVR6,#0AH:延的 DLAY NOP NOP DJNZ R6 DLAY MOVXA, @DPTR MOV aRL.A

微机控制技术·第 3 章·输入输出接口技术 5 IN0～IN7：8 路模拟量输入端。 ～ ：8 位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路。如表 13．2 所示。 表 13．2 ADDA、ADDB、ADDC 真值表 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A／D 转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： A／D 转换结束信号，输出，当 A／D 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低 电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 A／D 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开 输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一＋5V。 GND：地。 4 ADC0809 的应用 例 2.5 如图 3-29 所示，查询方式编写程序讲 8 路模拟信号轮流采样一次，并依次把结果存到＃data 开始的单元。 解： 查询方式程序清单： ORG1000H MAIN:MOV R1，#DATA MOV DPTR，#7FF8H ； MOV R7,#08H ；采样通道 LOOP:MOVX @DPTR ，A ； 启动转换 MOV R6，#0AH ； 延时 DLAY:NOP NOP NOP DJNZ R6,DLAY MOVX A, @DPTR MOV @R1,A

微机控制技术·第3章·输入输出接口技术 INC DPTR NC RI DJNZ R. LOOP END 例2.5如图3-29所示,中断方式(外部中断1,边沿方式)编写程序,对INO通道上的数据进行采集 并将转换结果送入内部RAM3OH单元 中断方式程序清单: ORG 0013H LIMP AD:转中断服务程序的入口地址 ORG 1000H Intl. SetB EA SETB EX1:开外中断1 SETB ITI;外中断请求信号为边沿方式触发方式 MOV DPTR, #7FF8H MOVX@DPIR,A;启动A/D转换 LOOP: SJMP LOOP;等待中断 END 中断服务程序 ORG 3000H AD: MOv DPTR, #7FF8H MOVX A,@DPIR:读取AD转换数据 MOV 30H.A MOV A, #OOH MOVX@DPIR,A;启动AD转换 RETI:中断返回 3.4模拟量输出通道及D/A转换器 、模拟量输出通道的组成 DA转换器、输出保持器、低通滤波电路、功率放大电路 输出保持器:离散→连续 低通滤波电路:平滑 D/A转换器的工作原理 DA转换器的原理可以归纳为“按权展开,然后相加”。因此,DA转换器内部必须要有一个解码网络,以 实现按权值分别进行DA转换。 1并行DA转换器的工作原理 ■为了说明T型电阻网络的工作原理,现以四位DA转换器为例加以讨论,如图22所示。 R 一B OUT 2R 2R 2R (基准电压

微机控制技术·第 3 章·输入输出接口技术 6 INC DPTR INC R1 DJNZ R7,LOOP END 例 2.5 如图 3-29 所示，中断方式（外部中断 1，边沿方式）编写程序，对 IN0 通道上的数据进行采集， 并将转换结果送入内部 RAM30H 单元。 中断方式程序清单： ORG 0013H LJMP AD ；转中断服务程序的入口地址 ORG 1000H Int1: SETB EA SETB EX1；开外中断 1 SETB IT1 ；外中断请求信号为边沿方式触发方式 MOV DPTR，#7FF8H MOVX @DPTR，A ；启动 A/D 转换 LOOP： SJMP LOOP ；等待中断 END 中断服务程序： ORG 3000H AD: MOV DPTR，#7FF8H MOVX A，@DPTR ；读取 A/D 转换数据 MOV 30H,A MOV A，#00H； MOVX @DPTR，A ；启动 A/D 转换 RETI ；中断返回 3.4 模拟量输出通道及 D/A 转换器 一、模拟量输出通道的组成 D/A 转换器、输出保持器、低通滤波电路、功率放大电路 输出保持器：离散→连续 低通滤波电路：平滑 二、D/A 转换器的工作原理 D/A 转换器的原理可以归纳为“按权展开，然后相加”。因此，D/A 转换器内部必须要有一个解码网络，以 实现按权值分别进行 D/A 转换。 1 并行 D/A 转换器的工作原理 ◼ 为了说明 T 型电阻网络的工作原理，现以四位 D/A 转换器为例加以讨论，如图 2-2 所示

微机控制技术·第3章·输入输出接口技术 2串行D/A转换器的工作原理 (略) 三、DA转换器举例(DAC0832) 1DAC832的技术参数 DAC832的主要技术指标 (1)输入数字量8位 (2)电流建立时间1puS (3)低功耗20mW (4)单一电源+5~+15V ■(5)基准电压工作范围:+10V-—-10V 2、DAC0832内部组成,如图3-37所示 8位输入寄存器 8位DAC寄存器 采用T型电阻网络的8位DA转换器 以及输入控制电路 DGND 3、DAC832的转换原理 LEI= WRlo Cs·LE LE2=WR2●XFER 4DAC0832的引脚 DAC0832芯片为20引脚,双列直插式封装。其引脚排列如图3-38所示 (1)数字量输入线D7~D0(8条) (2)控制线(5条)P81 (3)输出线(3条) (4)电源线(4条) 5、DAC0832的输出方式 电流输出loum+loum=常数 6DAC0832的与CPU的连接 1)直通方式 直通方式是指D0一DI7上一出现数字量,DAC即可将它们转换成模拟量

微机控制技术·第 3 章·输入输出接口技术 7 2 串行 D/A 转换器的工作原理 （略） 三、D/A 转换器举例（DAC0832） 1 DAC0832 的技术参数 DAC0832 的主要技术指标： ◼ （1）输入数字量 8 位 ◼ （2）电流建立时间1µS ◼ （3）低功耗 20mW ◼ （4）单一电源+5 ~ +15V ◼ （5）基准电压工作范围：+10V——-10V 2、DAC0832 内部组成，如图 3-37 所示。 – 8 位输入寄存器 – 8 位 DAC 寄存器 – 采用 T 型电阻网络的 8 位 D/A 转换器 – 以及输入控制电路 3、DAC0832 的转换原理 LE = WR • CS • ILE _____ _____ _____ 1 1 _____ _____ _________ LE2 = WR2• XFER 4 DAC0832 的引脚 ◼ DAC0832 芯片为 20 引脚，双列直插式封装。其引脚排列如图 3-38 所示。 ◼ （1）数字量输入线 D7~D0（8 条） ◼ （2）控制线（5 条）P81 ◼ （3）输出线（3 条） ◼ （4）电源线（4 条） 5、DAC0832 的输出方式 电流输出 IOUT1+ IOUT2=常数 6 DAC0832 的与 CPU 的连接 1)直通方式 直通方式是指 DI0 一 DI7 上一出现数字量，DAC 即可将它们转换成模拟量

微机控制技术·第3章·输入输出接口技术 Vo II 8051 XFER 2)单缓冲方式 IXFER 所谓的单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式,而另一个处于受控的锁存 方式。在实际应用中,如果只有一路模拟量输出。单缓冲方式接线如图3-41所示。 3)所谓双缓冲方式,就是把DAC0832的两个锁存器都接成受控锁存方式。 5DAC0832的应用 LE VRE 8051 邓E DAC0832与8051连接如图,DAC寄存器端口地址8FFFH,编程产生锯齿波 MOV DPTR #8FFFH MOV RO.#OOH NEXT. MOV @DPTR, A INC RO ppp AJMP NEXT

微机控制技术·第 3 章·输入输出接口技术 8 2)单缓冲方式 所谓的单缓冲方式就是使 DAC0832 的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存 方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出。单缓冲方式接线如图 3-41 所示。 3)所谓双缓冲方式，就是把 DAC0832 的两个锁存器都接成受控锁存方式。 5 DAC0832 的应用 DAC0832 与 8051 连接如图，DAC 寄存器端口地址 8FFFH，编程产生锯齿波。 MOV DPTR,#8FFFH MOV R0,#00H NEXT:MOV @DPTR,A INC R0 NOP NOP NOP AJMP NEXT