第10章計(jì)數(shù)器／定時(shí)器與模擬量轉(zhuǎn)換

1、第第1010章章 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器/ /定時(shí)器與模擬量轉(zhuǎn)換定時(shí)器與模擬量轉(zhuǎn)換教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容 10.1 可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器 10.1.1 可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的基本工作原理 10.1.2 8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳 10.1.3 8253的控制字 10.1.4 端口C的狀態(tài)字 10.1.5 8253的應(yīng)用舉例教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) 1掌握接口芯片8253功能特點(diǎn)，理解其使用方法。重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容 1 8253的基本工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳。 2 8253的控制字 3 8253的工作方式。 4 8253的應(yīng)用舉例。難點(diǎn)內(nèi)容難點(diǎn)內(nèi)容 8253的工作方式。學(xué)時(shí)數(shù)學(xué)時(shí)數(shù) 4學(xué)時(shí)10.1 10.1 可編程計(jì)數(shù)器可

2、編程計(jì)數(shù)器/ /定時(shí)器定時(shí)器 實(shí)現(xiàn)定時(shí)計(jì)數(shù)功能的常用方法可歸納為以下三種： （1）軟件定時(shí) （2）純硬件定時(shí) （3）可編程定時(shí)器10.1.1 10.1.1 可編程計(jì)數(shù)器定時(shí)器的基本工作原理可編程計(jì)數(shù)器定時(shí)器的基本工作原理 1. 1. 基本功能基本功能 以8253芯片為例來(lái)說(shuō)明其基本功能，大致可概括為以下五點(diǎn)： 1）3個(gè)計(jì)數(shù)器：每個(gè)8253芯片上有3個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)通道。 2）210MHz的計(jì)數(shù)頻率：每個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率范圍為0 2MHz，其改進(jìn)型82542的計(jì)數(shù)頻率范圍為010MHz。 3）2種數(shù)制計(jì)數(shù)：每個(gè)計(jì)數(shù)器都可以按照二進(jìn)制或十進(jìn)制計(jì)數(shù)。 4）6種工作方式：每個(gè)計(jì)數(shù)通道都有6種工作方式

3、，可由程序設(shè)置或改變。 5）與TTL兼容：所有輸入/輸出引腳都與TTL兼容。 2. 2. 基本工作原理基本工作原理 8253工作時(shí)首先設(shè)置好計(jì)數(shù)初值，然后每當(dāng)有一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)單元減1，減到0后，8253輸出一個(gè)響應(yīng)信號(hào)。如果輸入的計(jì)數(shù)脈沖的頻率恒定，一定數(shù)量的計(jì)數(shù)脈沖就對(duì)應(yīng)一定的間隔時(shí)間，這樣就成為一個(gè)定時(shí)器。 1）控制寄存器 控制寄存器是從數(shù)據(jù)總線緩沖器中接收控制字，以確定計(jì)數(shù)器的操作方式。 2）初始值寄存器 用來(lái)存放計(jì)數(shù)器所需要的初始值。 3）計(jì)數(shù)輸出寄存器 用來(lái)存放計(jì)數(shù)器中的內(nèi)容，可由CPU讀出。 4）狀態(tài)寄存器 提供計(jì)數(shù)器定時(shí)器當(dāng)前所處的狀態(tài)，這些狀態(tài)有利于了解計(jì)數(shù)器定時(shí)器某

4、時(shí)刻的內(nèi)部情況。 5）計(jì)數(shù)器 計(jì)數(shù)器實(shí)際是一個(gè)具有減“1”功能的減法器。 計(jì)數(shù)器的三個(gè)重要信號(hào)： OUT信號(hào)：計(jì)數(shù)到0后的輸出。 CLK信號(hào)：計(jì)數(shù)脈沖輸入。 定時(shí)器所能實(shí)現(xiàn)的定時(shí)時(shí)間取決于計(jì)數(shù)脈沖的頻率和計(jì)數(shù)器的初值，即： 定時(shí)時(shí)間時(shí)鐘脈沖周期*預(yù)置的計(jì)數(shù)初值 GATE信號(hào)：門控輸入信號(hào)。10.1.2 825310.1.2 8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳 （1）數(shù)據(jù)總線緩沖器 （2）讀/寫(xiě)邏輯電路 各控制信號(hào)及作用如下： A1和A0：端口選擇信號(hào)。 ：讀信號(hào)，低電平有效。 ：寫(xiě)信號(hào)，低電平有效。 ：片選信號(hào)，低電平有效。 RDWRCS (3) 計(jì)數(shù)器 每個(gè)通道有一個(gè)16位的初始值寄存

5、器（CR）、一個(gè)16位的計(jì)數(shù)執(zhí)行部件（CE）和一個(gè)16位的輸出鎖存器（OL）。CPU通過(guò)輸出指令將計(jì)數(shù)初始值存到CR中，用輸入指令讀OL中的內(nèi)容，8253工作時(shí)首先從CR中將初始值裝入到CE中，然后在CE中進(jìn)行減1計(jì)數(shù)。 (4)控制寄存器 8253的控制寄存器是只寫(xiě)不讀的，三個(gè)通道共用一個(gè)控制寄存器。10.1.3 825310.1.3 8253的控制字的控制字 1.計(jì)數(shù)方式的設(shè)定 8253有兩種計(jì)數(shù)方式：二進(jìn)制計(jì)數(shù)和BCD碼計(jì)數(shù)。選擇數(shù)制采用控制字的D0位來(lái)設(shè)定。 2.工作方式的設(shè)定 8253有6種工作方式：方式0方式5。 3.讀寫(xiě)格式的設(shè)定 8253有4種寫(xiě)入計(jì)數(shù)初值格式或讀計(jì)數(shù)值格式的設(shè)定

6、，選擇讀寫(xiě)格式采用控制字的D5、D4位來(lái)設(shè)定。00是將計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值鎖存到輸出寄存器，使CPU可以分兩次來(lái)讀取當(dāng)前計(jì)數(shù)值；01是僅將該計(jì)數(shù)器作為8位使用；10是作為16位計(jì)數(shù)器使用，但只讀、寫(xiě)其高8位，將低8位忽略不計(jì)；11是作為16位計(jì)數(shù)器使用，先讀、寫(xiě)其低8位，再讀、寫(xiě)其高8位。 4.計(jì)數(shù)器通道的選擇 用D7和D6來(lái)選擇本次控制字的使用對(duì)象。10.1.4 825310.1.4 8253的工作方式的工作方式 1.方式0計(jì)數(shù)結(jié)束中斷方式 控制字將計(jì)數(shù)器設(shè)置為方式0后OUT變?yōu)榈碗娖?，?xiě)入計(jì)數(shù)初值后的下一個(gè)CLK的下降沿啟動(dòng)計(jì)數(shù)，其后每個(gè)CLK的下降沿計(jì)數(shù)值減1，減到0后OUT變?yōu)楦唠娖健?計(jì)數(shù)

7、結(jié)束中斷方式的特點(diǎn)： （1）OUT信號(hào) 控制字寫(xiě)入后，OUT變低電平，直到計(jì)數(shù)器減到0時(shí)才變?yōu)楦唠娖?。OUT輸出可以作為計(jì)數(shù)結(jié)束的中斷信號(hào)。 （2）GATE信號(hào) 計(jì)數(shù)器受GATE信號(hào)控制，當(dāng)GATE0時(shí)，停止計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)操作；當(dāng)GATE1時(shí)，計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)。 （3）初始值 使用8位計(jì)數(shù)器和使用16位計(jì)數(shù)器忽略低8位時(shí)，只寫(xiě)入一次計(jì)數(shù)初值；使用完全16位計(jì)數(shù)器時(shí)，須分兩次寫(xiě)入計(jì)數(shù)初值的高、低8位。 每次裝入初始值后計(jì)數(shù)器只計(jì)數(shù)一遍。 計(jì)數(shù)過(guò)程中可重新裝入計(jì)數(shù)初值。在寫(xiě)入新的計(jì)數(shù)初值后計(jì)數(shù)器立即按新的計(jì)數(shù)初值開(kāi)始重新計(jì)數(shù)。 若設(shè)置初值為N，輸出信號(hào)OUT是在N+1個(gè)CLK脈沖后才變高的。 2.方式

8、1可編程單穩(wěn)觸發(fā)器 可編程單穩(wěn)觸發(fā)器方式的特點(diǎn)： （1）OUT信號(hào) 控制字寫(xiě)入后，OUT變高電平，CPU寫(xiě)入計(jì)數(shù)初始值后，計(jì)數(shù)器并不計(jì)數(shù)，直到GATE信號(hào)上升沿后的下一個(gè)CLK下降沿OUT變?yōu)榈碗娖健?計(jì)數(shù)器減到0時(shí)，OUT輸出才變?yōu)楦唠娖健?（2）GATE信號(hào) GATE信號(hào)在方式1中起觸發(fā)信號(hào)作用。CPU寫(xiě)入計(jì)數(shù)值后，計(jì)數(shù)器必須由GATE信號(hào)觸發(fā)才開(kāi)始計(jì)數(shù)。允許GATE信號(hào)多次觸發(fā)，計(jì)數(shù)過(guò)程中，外部可用GATE脈沖進(jìn)行再觸發(fā)。 （3）初始值 計(jì)數(shù)過(guò)程中，CPU可改寫(xiě)初始值，但計(jì)數(shù)過(guò)程不受影響，計(jì)數(shù)將按原來(lái)的初始值減到0，在GATE信號(hào)再次觸發(fā)后，才會(huì)按新的初始值重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。 3.方式2分頻

9、器 分頻器方式的特點(diǎn)： （1）OUT信號(hào) OUT信號(hào)是輸入時(shí)鐘按照計(jì)數(shù)值N次分頻后的一個(gè)連續(xù)脈沖。此方式可以作為一個(gè)脈沖速率發(fā)生器或用于產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷。 （2）GATE信號(hào) 計(jì)數(shù)器的初始值寫(xiě)入后，只有當(dāng)GATE引腳為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器才開(kāi)始遞減計(jì)數(shù)。GATE端每一次由低到高的跳變觸發(fā)，都將引起一次重新從CR向CE的裝入操作。 （3）初始值 計(jì)數(shù)過(guò)程中，CPU可改寫(xiě)初始值，但當(dāng)前計(jì)數(shù)過(guò)程不受影響，計(jì)數(shù)將按原來(lái)的初始值減到0，OUT輸出一個(gè)負(fù)脈沖，計(jì)數(shù)器裝入新的初始值后重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。 4.方式3方波發(fā)生器 方波發(fā)生器方式的特點(diǎn)： （1）OUT信號(hào) 方式3的OUT信號(hào)與方式2的工作類似，輸出均為周期

10、性的，但方式3的輸出為方波。 （2）GATE信號(hào) 方式3的GATE信號(hào)與方式2的作用相同。 （3）初始值 當(dāng)初始值為偶數(shù)時(shí)，輸出方波的占空比一定為50（N2）。 當(dāng)初始值為奇數(shù)時(shí)，輸出方波的高電平占（N1）2個(gè)輸入時(shí)鐘周期，低電平占（N1）2個(gè)輸入時(shí)鐘周期。 計(jì)數(shù)過(guò)程中，CPU可改寫(xiě)初始值，但當(dāng)前計(jì)數(shù)周期不受影響，在下一個(gè)計(jì)數(shù)周期就按新的初始值重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。 5.方式4軟件觸發(fā)選通 軟件觸發(fā)選通方式必須注意以下幾點(diǎn)： （1）OUT信號(hào) 控制字寫(xiě)入后，OUT變高電平。CPU寫(xiě)入計(jì)數(shù)初始值后，當(dāng)GATE信號(hào)為高電平時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)器減到0時(shí)，OUT輸出一個(gè)輸入時(shí)鐘寬度的低電平，然后OUT恢復(fù)高

11、電平。 （2）GATE信號(hào) 當(dāng)GATE1時(shí)，計(jì)數(shù)器正常工作，當(dāng)GATE0時(shí)，計(jì)數(shù)器停止減1操作。 （3）初始值 計(jì)數(shù)過(guò)程中，CPU可以更改計(jì)數(shù)初始值，并從新初始值開(kāi)始計(jì)數(shù)。 6.方式5硬件觸發(fā)選通 硬件觸發(fā)選通方式的特點(diǎn)： （1）OUT信號(hào) 控制字寫(xiě)入后，OUT變高電平，CPU寫(xiě)入計(jì)數(shù)初始值后，計(jì)數(shù)器并不立即開(kāi)始計(jì)數(shù)，必須由GATE的上升沿觸發(fā)啟動(dòng)計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到0時(shí)，輸出OUT變低電平，經(jīng)過(guò)一個(gè)CLK脈沖后，OUT恢復(fù)為高，并停止計(jì)數(shù)。 （2）GATE信號(hào) 計(jì)數(shù)過(guò)程是由GATE的上升沿“觸發(fā)” 啟動(dòng)計(jì)數(shù)的。在計(jì)數(shù)過(guò)程中又有GATE上升沿時(shí)，則計(jì)數(shù)器重新從初始值開(kāi)始計(jì)數(shù)，但對(duì)于輸出OUT的狀態(tài)沒(méi)

12、有影響。 （3）初始值 計(jì)數(shù)過(guò)程中，CPU可以更改計(jì)數(shù)初始值，在沒(méi)有GATE信號(hào)觸發(fā)的情況下，不影響計(jì)數(shù)過(guò)程。當(dāng)計(jì)數(shù)減到0后，若此時(shí)有新的GATE信號(hào)觸發(fā)，則按新的計(jì)數(shù)值重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。 7. 8253各工作方式之間的異同點(diǎn) （1）各工作方式的共同點(diǎn) 1）當(dāng)控制字寫(xiě)入計(jì)數(shù)器時(shí)，所有的控制邏輯電路立即復(fù)位，輸出端OUT進(jìn)入初始狀態(tài)：高電平或者低電平。 2）初始值寫(xiě)入后，要經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘上升沿和一個(gè)下降沿，計(jì)數(shù)執(zhí)行部件才開(kāi)始工作。 3）在時(shí)鐘脈沖CLK的上升沿時(shí)，門控信號(hào)GATE才被采樣。 （2）各工作方式的不同點(diǎn) 1）軟件觸發(fā)啟動(dòng)計(jì)數(shù) 方式0和方式4為軟件啟動(dòng)計(jì)數(shù)，沒(méi)有自動(dòng)重新裝入計(jì)數(shù)初值功能。方式

13、0在計(jì)數(shù)過(guò)程中保持低電平，計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)變成高電平。方式4在計(jì)數(shù)的前一個(gè)CLK周期輸出一個(gè)負(fù)脈沖。 2）硬件觸發(fā)啟動(dòng)計(jì)數(shù) 方式1和方式5為硬件啟動(dòng)計(jì)數(shù)，在寫(xiě)入計(jì)數(shù)初值后還要等待GATE的上升沿才能啟動(dòng)計(jì)數(shù)。 3）自動(dòng)裝入計(jì)數(shù)初值 方式2和方式3具有自動(dòng)重新裝入計(jì)數(shù)初值的功能。 4）門控信號(hào)GATE的控制作用 10.1.5 825310.1.5 8253的應(yīng)用舉例的應(yīng)用舉例 設(shè)8253的端口地址為40H43H。系統(tǒng)提供的時(shí)鐘位2MHz，要求產(chǎn)生一個(gè)頻率為2kHz的信號(hào)，其中每個(gè)周期中高電平的時(shí)間為475uS。請(qǐng)編寫(xiě)8253的初始化程序。 解 要產(chǎn)生一個(gè)頻率為2kHz的信號(hào)，即周期為500uS，高電平

14、時(shí)間為475uS的周期信號(hào)，可采用通道0的方式2實(shí)現(xiàn)， 其計(jì)數(shù)通道的輸入時(shí)鐘周期應(yīng)為500-475=25uS。 再用通道1單獨(dú)產(chǎn)生周期為為25uS的方波作為通道0的輸入時(shí)鐘， 系統(tǒng)提供的時(shí)鐘周期為T=0.5uS， 作為通道1的輸入時(shí)鐘。 因此通道1計(jì)數(shù)初值=25/0.5=50，采用方式3實(shí)現(xiàn)。把OUT1連接到CLK0，而通道0工作在方式2，計(jì)數(shù)初值=500/25=20。初始化程序如下。 具體的程序段如下： MOV AL，00010100B OUT 43H，AL ;計(jì)數(shù)器0，使用低8位，方式2，二進(jìn)制 MOV AL，20 OUT 40H，AL ;置計(jì)數(shù)器0初值20 MOV AL，01010110

15、B OUT 43H，AL ;計(jì)數(shù)器1，使用低8位，方式3，二進(jìn)制 MOV AX，50 OUT 43H，AL ;置計(jì)數(shù)器1初值5010.2 10.2 數(shù)數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換模轉(zhuǎn)換 計(jì)算機(jī)內(nèi)部只能使用數(shù)字量，而工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的電壓、電流、壓力等都是模擬量，因此需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。10.2.1 10.2.1 概述概述 1.數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換原理 要點(diǎn)：T型電阻網(wǎng)絡(luò)僅使用2種阻值的電阻；運(yùn)算放大器的正端接地，負(fù)端位虛地；用計(jì)算機(jī)端口的某一位控制Sx；VOUT輸出值與Sx成正比。 )V161DV81DV41DV21D(REF0REF1REF2REF330iii4REFD22V1n0iiinREFOUTD22VV30

16、iiOUTOUTRIRIV 當(dāng)T型電阻網(wǎng)絡(luò)的支路位n時(shí)，輸出電壓 。即輸出電壓的絕對(duì)值正比于數(shù)字量Di。 2.D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo) （1）分辨率 分辨率是指D/A轉(zhuǎn)換器能分辨的最小電壓增量。一般來(lái)說(shuō)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，分辨率也越高。因此，也常用D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來(lái)表示分辨率，如8位、10位、12位等。 （2）轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度是指D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出電壓與理論值之間的誤差。通常采用數(shù)字量的最低有效位LSB作為衡量單位，記作1LSB、 1/2LSB、1/4LSB等。 （3）建立時(shí)間 建立時(shí)間是指D/A轉(zhuǎn)換器滿刻度變化時(shí)，輸出達(dá)到滿刻度值 1/2LSB并穩(wěn)定時(shí)所需時(shí)間，約即納秒至幾微秒。 （4

17、）線性誤差 相鄰兩個(gè)數(shù)字量之間的差應(yīng)為1LSB，即線性的。在滿量程范圍內(nèi)，偏離此理想線性的最大值稱為線性誤差。 （5）溫度系數(shù) 在規(guī)定范圍內(nèi)，溫度每變化1引起的增益、線性度、零點(diǎn)偏移等參數(shù)的變化量。10.2.2 D/A10.2.2 D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換芯片 DAC0832。 1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳 2.工作方式 DAC0832內(nèi)部有2級(jí)鎖存器，可構(gòu)成3種工作方式。 （1）直通方式 當(dāng) 、 、 和 引腳直接接數(shù)字地，ILE引腳為高電平時(shí)，芯片工作于直通方式，即不使用鎖存器緩沖。 （2）單緩沖方式 使用ILE、 、 進(jìn)行控制， 、 接地，即DAC寄存器直通，僅使用輸入寄存器緩沖。 使用 、 進(jìn)行控制，I

18、LE接高電平， 、 接地，即輸入寄存器直通，僅使用DAC寄存器緩沖。 、 、 、 和ILE都參與控制，使DAC寄存器和輸入寄存器同時(shí)打開(kāi)和鎖存。CS1WRXFER2WRCS1WRXFER2WRCS1WRXFER2WRCS1WRXFER2WR （3）雙緩沖工作方式 CPU先將數(shù)字量鎖存到輸入寄存器，再使輸入寄存器的數(shù)字量進(jìn)入DAC寄存器，獲得D/A輸出。 這種方式僅用于要求多個(gè)D/A輸出同時(shí)有效的場(chǎng)合。10.2.3 D/A10.2.3 D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 1.D/A轉(zhuǎn)換器與微處理器的連接原則 （1）數(shù)字量的輸入 三種工作方式中，直通方式要求數(shù)字量能夠持續(xù)；緩沖方式則要求數(shù)字量在總線上穩(wěn)定后，相關(guān)選通端有效。 （2）輸出電路 DAC0832內(nèi)部沒(méi)有運(yùn)算放大器，須外接。有單極性和雙極性方式。 2.DAC0832的應(yīng)用實(shí)例 通過(guò)編程獲得19V的三角波。 使用單緩沖方式。輸出為010V。MOV AL,19HL1:OUT