第 2 章 微電腦 AD/DA介面原理與應用

由於微電腦的發展迅速﹐近年來已成自動化設備與感測裝置之主要控制器﹐因本身所使用的訊號為數位訊號，而外界的致動裝置如馬達及感測元件等裝置所使用的訊號很多是類比訊號，因此如想要使用微電腦來控制這些類比裝置或接受感測訊號，就必須利用特定 PC界面卡將數位訊號和類比訊號進行轉換。所以熟悉此種界面卡中類比數位轉換(A/D)、數位類比轉換(D/A)及數位輸入輸出 I/O介面及程式撰寫是微電腦自動化感測和控制應用必備之工具。 一般 PC I/O卡(含A/D及D/A)使用上，通常直接插在電腦主機的擴充 I/O槽中使用, 而輸入輸出介面亦可透過特製轉接板以方便外部接線使用。以下即簡單介紹DI/D

O,類比/數位轉換器及數位/類比轉換器之基本原理。

微電腦

D / A

D/I

類比受控體

數位感測器(ON/Off)

D / O

A / D

數位受控體(ON/OFF)

類比感測器

界面卡

2-1

1. 數位輸出(Digital Output)

利用微電腦內部暫存器數值設定﹐產生相對的數位訊號(ON/OFF)

輸出，用來控制外界的數位型(繼電器)致動裝置。一般規格:

Channels: 16Output voltage: Low:0 ~ 0.4V , High: min. 2.4V (TTL compatible)Dout=0~65535(16bits)=0000000000000000B~ 111111111111111B16bits=Do[15],Do[14],….Do[1],Do[0]where Do[i] = { 1 TTL high I=0,1,2,….15 0 TTL low

例如: 欲輸出Do[0]=Do[2]=1

則 Dout=0000000000000101B = 5

利用 outport() 將Dout 存入數位輸出暫存器位置(因界面卡而異)﹐

即可經界面卡之解碼﹐產生相對的數位輸出(Do[0] and Do[2] ON)

程式範例:

#define Dout-addr ox200 // 0x200為數位輸出暫存器位置#define Din-addr ox204 // 0x204為數位輸入暫存器位置 Dout=5; //設定數位輸出值 outport(Dout-addr, Dout); // or outport (ox200, 5)

2-2

2.數位輸入(Digital Input)

利用微電腦讀取內部暫存器輸入數值﹐轉變成相對的數位(ON/

OFF)訊號輸入，用來感測外界的數位(開關)型感測訊號。一般規格:

Channels: 16Input voltage: Low:0 ~ 0.8V , High: min. 2.0V (TTL compatible)Din=0~65535(16bits) = 0000000000000000B ~ 111111111111111B

Case a: floating low(TTL high detection): common low

DI[i] = 2i & Dinwhere i=0,1,2,……15 &:Bit AND

若輸入暫存器讀取值 Din = 5 = 000000000000101B

則=> DI[0]=DI[2] = 1 輸入為高電位(TTL High)

其他輸入則為低電位(TTL Low)

Case b: floating high (TTL low detection) : common highfor receiving open collector output

DI[i] = ~(2i & (~Din))

where i=0,1,2,…,15 ~ = inverting(1之補數)

例如: 讀取數位輸入值為 Din=65530= 1111111111111010B

~Din = 000000000000101B = 5 = 22 + 2 0

則=> DI[0]=DI[2]=0 輸入低電位(TTL low)，其他則沒接或高電位

2-3

程式範例:

利用 inport() 讀取數位輸入暫存器位置(因界面卡而異) 輸入值Din

﹐即可經解碼函式﹐轉換成相對的數位輸入狀態(Di[0] and Di[2] ON)

#define Dout-addr ox200 // 0x200為數位輸出暫存器位置#define Din-addr ox204 // 0x204為數位輸入暫存器位置int Din;

int read_di(void){Din = inport(Din-addr); or //Din=inport(ox204)For(i=0, i< n, i++)

{ DI[i] = 2i & Din ; }return(Din); }

依據上述方式解碼﹐即可獲得相對的數位輸入DI[0], , ,DI[n-1]。

2-4

3.數位類比轉換器(Digital/Analog Converter)

一個D/A的工作就是將控制器(或 PC)所送出的數位控制指令轉換成一般類比式系統可接受的類比式訊號。 在使用DAC時必須了解一些基本資料，例如：

(1) 輸出型式:電壓，電流。(2) 解析度(resolution):解析度(=Vr/2n)為可以識別的最小輸出類比值,

Vr為輸出範圍, n為位元數(12 or 16 bits) ,位元數 n愈高，則解析度=Vr/2n也跟著提高。

(3) 輸出頻道(Channels):例如 1, 2, 4

(4) 輸出範圍(Vr):Bipolar: +/-10V,+/-5V; Unipolar:0~10V, 0~5 V.

output current:+/-5mA

(5) 存取頻率(Max. data throughout):30KHz to 200KHz。(6) 精確度(Accuracy):例如絕對精確度 0.01% of full scale range，線性誤差有±1/2LSB或±1LSB等不同

(7) 轉換時間: 例如 25 s。(8) 工作環境:如工作溫度/濕度，參考電壓,消耗功率, AT/XT bus等。(9) 應用:

Device control (AC/DC servo, thermal control) Signal generator( Square, Sine wave, Triangle wave)

2-5

D/A轉換計算公式: 例如 n = 12 bits D/A

output voltage ranges:-10v~+10v

Case a:

Vh 10v Vo

0V

Vl -10v 0 2048 4095 Digital(Do buffer)

Vo=Do(Vh-Vl)/2n +Vl or Do=2n(Vo-Vl)/(Vh-Vl) Example: 12 bits D/A 212= 4096 Vh = 10V Vl= -10V Vri= Vh-Vl = 20 V=> Vo=20Do/4096 - 10 or Do=4096(Vo+10)/20 Resolution = (Vh-Vl)/2n = 20/4096 = 4.88 mVIf Initial Do=0 => Vo = -10V

case b:

If Initial Do=0 => Vo=0VDo=2048*Vo/10If(Do < 0) Do += 4096

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4.類比/數位轉換器(Analog/Digital Converter)：類比/數位轉換器的工作就是將類比式的訊號轉換成數位式訊號。

在ADC方面，ADC轉換又可以分為兩大類(1)電壓-時間(V/T)轉換，及(2)電壓-頻率(V/F)轉換。在控制系統中大多使用電壓-時間型的轉換。在作類比/數位轉換時,以下是使用者必須了解的一些基本規格資料：

(1) 解析度(resolution):解析度(=Vr/2n)為可以識別的最小輸入類比值,

Vr為輸入範圍, n為位元數(12 or 16 bits)。(2) 輸入頻道(Channels):例如 16 single ended or 8 differential

(3) 輸入範圍(Vr):Bipolar: +/-10V,+/-5V; Unipolar:0~10V, 0~5 V.

(4) 輸入增益(gain):gain=1,2,4,8,…;1,10,100. jumper or software Actual

input range = Vr/gain

(5) 資料傳輸方式: Software, interrupt, DMA。(6) 存取頻率(Max. data throughout):20KHz to 330KHz。(7) 轉換時間(conversion time):指開始轉換命令下達後到全部數位輸出轉換完成為止所需要的時間, or 10s/channel。

(8) 精確度(Accuracy):例如絕對精確度 0.01% of full scale range，線性誤差有±1/2LSB或±1LSB等不同

(9) 工作環境:如工作溫度/濕度，參考電壓,消耗功率, AT/XT bus等。(10) 應用:

measurement (analog): loadcell, LVDT, temperature etc servo control feedback: tacometer signal scope

2-7

A/D轉換計算公式: n= 12bits

Input Voltage ranges:-5V~+5V gain=1 Di 4095

2048

0 -5v 0v +5v

Input Voltage(Vi)

Di=2n(Vi-Vl)/(Vh-Vl) or Vi=Di(Vh-Vl)/2n +Vl

Example: 12 bits A/D 212= 4096 Vh = 5V Vl= -5V Vri= Vh-Vl = 5-(-5) = 10 V=> Di=4096(Vi+5)/10 or Vi=10Di/4096 - 5If gain varys Vh’= Vh/Gain Vl’= Vl/GainActual input range VRi’ = VR /Gain , Gain = 1, 10, 100 …Actual Resolution’ = Resolution/GainGain = 1 VRi’ = -5V ~ +5V Resolution’ = 2.44 mVGain = 2 VRi’ = -2.5V ~ +2.5V Resolution’ = 1.22 mVGain = 10 VRi’ = -0.5V ~ +0.5V Resolution’ = 0.244 mV

2-8

5．AD/DA測試程式於AD/DA測試程式執行後，所看到的數字都是數位的訊號，對

於操作者並無法直接看出它的物理意義，因此於畫面中加入輔助說明，利用轉換程式將數位的訊號，轉換成類比式的符號，讓使用者可以知道輸入的是什麼。畫面請參考下圖。

*** A/D D/A Test Program ***Input:

FEDC DA98 7654 3210Digital Input = 65524 Binary = 1111 1111 1111

0100BEncoder1= 2000 pulses ( rpm) Encoder2= 0 AD0= 3072 (5.024 v) AD1= 2044 (-0.020 V)AD2= 2043 (-0.024 v) AD3= 2044 (-0.020 V)AD4= 2043 (-0.024 v) AD5= 2044 (-0.020 V)AD6= 2043 (-0.024 v) AD7= 2044 (-0.020 V)

Output:F1: DA0= 1024 -> 5.000VF2: DA1= 3072 -> -5.000VF3: DA1= 0 -> 0.000VF4: DA1= 0 -> 0.000V

FEDC DA98 7654 3210F5:Digital Output= 7 Binary = 0000 0000 0000

0111B上半部顯示輸入項目，包含數位輸入埠，ENCODER計數器值，8

通道A/D及對應的輔助說明。下半部顯示輸出項目，可由功能鍵F1~F5設定DA輸出及對應的輔助說明，數位輸出埠。

2-9

首先第一部份是數位輸入埠(Case b floating high)，上半部的digital input = 65524，對應的 binary=1111 1111 1111 0100。因為 floating

high，因此輸入Bit 0,1,3 是在 low level。 類比輸入部份AD0~AD7, 除顯示讀取之數位值﹐亦顯示對應之輸入類比電位值。

下半部的類比輸出﹐乃經由” F1 ”至” F4 ”任一鍵，使用者可選擇數位數值輸入(範圍從 0至 4095) 或採用電壓值輸入方式範圍從(-10V

至 10V)，然後會自動轉換成電壓值並從相對AD輸出埠送出類比訊號。而下半部的 digital output﹐利用 F5來輸入。如果輸入是 7，則binary=0000 0000 0000 0111，此結果會使得 bit0,1,2變為 high level。如果將此 3 數位輸出埠(high)接至 digital input的任一輸出埠，則不會影響 digital input之讀取值；若是將數位輸出埠為 Low端接線於 digital

input的輸入埠插孔，則會使相對應之 digital input由 1變為 0。高速計數界面:

第二部份是編碼器(encoder)計數界面，用來計算編碼器或光學尺輸出之脈波訊號﹐首先必須輸入編碼器規格(每一轉有幾個 pulses)或

光學尺解析度(每 Pulse有幾mm)，例如 encoder每一轉有 2000 pulses

or 2000 PPR，根據所讀取脈波數即可算出轉軸轉動的角度﹐亦可於每固定時間(中斷週期)取樣﹐由差異值算出轉動角速度。

Signal Generator :進入訊號產生器之功能，並要 user選擇正弦波或三角波。選擇波形後由 user設定振幅和頻率（每分鐘送出幾個波），在此本程式使用中斷來達成。設定完畢後程式會從DA1送出訊號，將

2-10

DA1接到希望輸出之裝置後按任意鍵連續輸出訊號，畫面每一秒鐘更換一次，等到按 ESC時才會停止輸出訊號並回到MAIN MENU。圖 a

是正弦波執行之情形；圖 b是三角波執行之情形。

圖a 正弦波輸出曲線圖

圖b 三角波輸出曲線圖2-11

2-12

6. AD/DA應用計算例一﹑已知有一線性類比電壓輸出之位移感測模組﹐其輸出範圍

0V~+4V代表 0mm~80mm﹐若訊息未經放大即由 12bits AD(輸入範圍=-10V~+10V)進行量測。則其輸出解析度為多少 mm？若要獲得較佳解析度應如何進行？參考電壓和放大倍率各為何？答：訊號未經放大時804 20mmV

mmV /

202 4 8828125 1012

3V V pulse . /

解析度= 20 4 8828125 10 9 765625 103 2 . . /mm pulse

若要獲得較佳解析度，有以下兩種方式：(1) 訊號放大或調整 gain：將輸出範圍 0~4V放大到-10V~10V的範圍，參考電位變為 0V~4V。放大倍率 G=5。使用輸入電壓範圍= -10V~10V

解析度= 80 mm/4096 pulse = 0.0195 mm/pulse 改善G=20/4=5

(2) 使用高階AD => 16bits

804 20mmV

mmV / 解析度=

202 2016

Vpulse

mmV /= 0.0061 mm/pulse

使用輸入電壓範圍= 0V ~ 4V，解析度改善G=216/212=16

二、如上題，若模組輸出為電流比例型，例如-20mA~+20mA, 則要如何才能以 12bits AD(輸入範圍=-10V~+10V)測得最佳解析度﹖

答：加入一適當電阻，使輸入參考電壓為-10V~+10V, 即可得到最佳解析度。 因此, 本題應加的電阻為 10

20 500VmA

2-13

練習:

三、若有一線性 AD(10bits)，其最大輸入電壓範圍 Vi為 -5.12V (Di=0)

～ +5.11V， 假設輸入 0V時的數位讀出值是Di=512。

1.繪出輸入類比電壓與數位讀出值之線性關係圖及關係式。

2.最小可測得之電壓變化為多少mV(解析度)。3.輸入電壓 -2.56V和 +2V時之數位讀出值應各多少?

4.若數位讀出值為 312和 712，其對應之輸入電壓應各為何?

5.若一類比式感測模組之電壓輸出 -4V～+4V表示 -40mm～+40mm之線性變位，解析度為 0.02mm，使用此AD讀入值為312和 712時之變位分別為多少mm? 解析度為多少mm? 如何可提昇檢測解析度?

四、已知有一 PC-based 感測控制系統、含一軸步進馬達驅動平台、電流輸出型雷射變位計模組( -20mA～+20mA表示 -40mm～+40mm之線性變位 )、光學尺 (座標監測用 )。若步進馬達規格 1000

pulses/Rev.，驅動器具正反步進脈波輸入控制及左右過行程保護開關(常閉式接地型)，若本系統欲達到位置控制解析度為 10微米/Pul

se，檢測解析度小於 5微米，試設計並繪出此系統方塊圖。包括 PC

界面卡規格選用、機構平臺設計、控制訊號處理與整合?

2-14

參考資料:1. 蔡明忠,"自動化感測與伺服控制應用" 八十六~八年度工業技術人才培訓計劃講議, 1998年 9月。

2. 仲成儀器，“感測器轉換與伺服控制系統”，1995。3. D.A.Bradley etc. “Mechatronics”, Chapman &Hall, 全華科技圖書(G011),1993

4. “Total Solution for PC-based Industrial Automation”, ADVANTECH Co., Vol.71, 1996. (http://www.advantech.com.tw/)

5. “Measuring instruments general catalog G3”, Keyence Co. 1996

6. “Omron感測器綜合型錄 “, Omron 1996.

7. “Sunx 感測器綜合型錄 “, 士林電機, 1994

8. “Honeywell 感測器綜合型錄 “,Honeywell Inc., 1997 (http://www.honeywell.sensing.com/)

2-15

附錄12Bit Analog-To-Digital Converters

12Bit Digital -To- Analog Converters

2-16

LabView Example compared with C :

---> C

trans_a_to_d(float a) // function A to D int d0; if( a<=10 && a>=0 ) d0=(a*2047)/10; else if( a<0 && a>=-10 )

d0=((((a+10)*2047)/10)+2048); else if ( a>10 ) { a=10; d0=(a*2047)/10; } else if ( a<-10 ) { a=-10; d0=((((a+10)*2047)/10)+2048) ; } printf(" digital output = %d ",d0); return d0; // function 1 end

---> Labview .vi 1

2-17

Human-Machine Interface

.give o u tput voltage and return digital value

---> C

void a_d(unsigned n0) // function 2 { unsigned i ; float vol ; printf(" DA %d (-10 to +10 V)=",n0) ; scanf("%f",&vol) ; i = trans_a_to_d(vol); if (i>0xfff) i=0xfff ; switch(n0) { case 1: outport(DA1,i) ; // outport voltage to DA1 break ; case 2: outport(DA2,i) ; // ………… and so on break ; case 3: outport(DA3,i) ; break ; case 4: outport(DA4,i) ; break ; }} //function 2 end

---> Labview

The Register address :

DA1 0x282

DA2 0x284

DA3 0x288

2-18

DA4 0x28a

.give channel and return digital value ---> Coutportb(SAMPLE1,0) ; inportb(CH1) ; for(k=0 ; k < 8 ; k++) i=inport(AD1) ; printf("%u",i) ; void trans_d2a(unsigned i) // function D to A { float a,v0; a=i; if(a<=2047) v0=(10*a)/2047; else if (a>4095) { a=4095; v0=((a-2048)*10/2047)-10; } else v0=(((a-2048)*10)/2047)-10; printf("%7.3f V\n",v0);}

---> Labview

2-19

2-20

.write Dout and return the word value---> C……………. printf("FEDCBA9876543210"); printf(" BIT ON/OFF, input 0-15 : "); scanf("%d",&bitflag); gotoxy(TOxy[10],TOxy[11]) ; bit2dig(); i=(unsigned) dig1; outport(DIGITAL_OUTPUT,i); gotoxy(TOxy[8],TOxy[9]); printf("%u",i); ……………..---> Labview

Digital to Analog…..// function D to A

2-21

read Dinput return the bit status On/Off

---> C

……………...

i=inport(DIGITAL_INPUT) ;

printf("%u",i) ;

………………………………

2-22

.Sin-wave Output

---> Labview

Human-Machine Interface

2-23

The Main Human-Machine Interface

2-24