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文檔簡介

1、第第1010章章 A/DA/D及及D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器教學(xué)重點(diǎn) DAC 0832及其與主機(jī)的連接 ADC 0809及其與主機(jī)的連接模擬量與數(shù)字量n模擬量模擬量連續(xù)變化的物理量連續(xù)變化的物理量n數(shù)字量數(shù)字量時(shí)間和數(shù)值上都離散的量時(shí)間和數(shù)值上都離散的量模仿模仿/數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADCDAC數(shù)字?jǐn)?shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器模擬轉(zhuǎn)換器模擬輸入輸出系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)模擬信號(hào)現(xiàn)場信號(hào)現(xiàn)場信號(hào)1現(xiàn)場信號(hào)現(xiàn)場信號(hào)2現(xiàn)場信號(hào)現(xiàn)場信號(hào)n微型微型計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)放大器放大器放大器放大器放大器放大器多多路路開開關(guān)關(guān)低通濾波低通濾波傳感器傳感器低通濾波低通濾波傳感器傳感器低通濾波低通濾波傳感器傳感器A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器

2、采樣保持器采樣保持器數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)受控對象受控對象控制信號(hào)控制信號(hào)模擬信號(hào)模擬信號(hào)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器放大驅(qū)動(dòng)電路放大驅(qū)動(dòng)電路傳感器傳感器將各種現(xiàn)場的物理量測量出來將各種現(xiàn)場的物理量測量出來并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)模擬電壓或電流)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)模擬電壓或電流) 放大器放大器把傳感器輸出的信號(hào)放大到把傳感器輸出的信號(hào)放大到ADC所需所需的量程范圍的量程范圍低通濾波器低通濾波器用于降低噪聲、濾去高頻干擾,用于降低噪聲、濾去高頻干擾,以增加信噪比以增加信噪比多路開關(guān)多路開關(guān)把多個(gè)現(xiàn)場信號(hào)分時(shí)地接通到把多個(gè)現(xiàn)場信號(hào)分時(shí)地接通到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器采樣保持器采樣保持器周期性地采樣連續(xù)信號(hào),周期性地采樣連續(xù)信號(hào),并在

3、并在A/D轉(zhuǎn)換期間保持不變轉(zhuǎn)換期間保持不變10.410.6 A/D轉(zhuǎn)換器 P271模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量模仿模仿/數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC一、A/D轉(zhuǎn)換工作原理 P274ADC是把模擬量是把模擬量(通常是模擬電壓通常是模擬電壓)信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)轉(zhuǎn)換為為n位二進(jìn)制數(shù)字量信號(hào)的電路。位二進(jìn)制數(shù)字量信號(hào)的電路。這種轉(zhuǎn)換通常分這種轉(zhuǎn)換通常分4步進(jìn)行:步進(jìn)行:采樣采樣堅(jiān)持堅(jiān)持量化量化編碼編碼前兩步在采樣保持電路中完成,后兩步在前兩步在采樣保持電路中完成,后兩步在A/D轉(zhuǎn)換過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)換過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)。1、采樣堅(jiān)持采樣保持電路最基本的采樣最基本的采樣保持電路,它由保持電路,它由MOS管采樣開關(guān)管采樣

4、開關(guān)T、保持電容保持電容Cb和運(yùn)放做成的跟隨器三部分組成。和運(yùn)放做成的跟隨器三部分組成。2、量化和編碼n量化,就是用基本的量化電平量化,就是用基本的量化電平q的個(gè)數(shù)來表示采的個(gè)數(shù)來表示采樣樣保持電路得到的模擬電壓值。保持電路得到的模擬電壓值。n由于量化而產(chǎn)生的誤差,稱之為量化誤差,它直接由于量化而產(chǎn)生的誤差,稱之為量化誤差,它直接影響了轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。影響了轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。n它是原理性誤差,只能減小,而無法消除。它是原理性誤差,只能減小,而無法消除。n為減小量化誤差,根本的辦法是取小的量化電平。為減小量化誤差,根本的辦法是取小的量化電平。n編碼就是把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值編碼就是把已經(jīng)量化的模

5、擬數(shù)值(它一定是量化電它一定是量化電平的整數(shù)倍平的整數(shù)倍)用二進(jìn)制數(shù)碼、用二進(jìn)制數(shù)碼、BCD碼或其他碼來表碼或其他碼來表示示A/D轉(zhuǎn)換的基本原理n存在多種存在多種A/D轉(zhuǎn)換技術(shù),各有特點(diǎn),轉(zhuǎn)換技術(shù),各有特點(diǎn),分別應(yīng)用于不同的場合分別應(yīng)用于不同的場合n3種常用的轉(zhuǎn)換技術(shù)種常用的轉(zhuǎn)換技術(shù)n逐次逼近式逐次逼近式n雙積分式雙積分式n電壓頻率轉(zhuǎn)換法電壓頻率轉(zhuǎn)換法V/F1. 逐次逼近式逐次逼近式ADC原理:首先將逐次逼近寄存器內(nèi)容的最高位置原理:首先將逐次逼近寄存器內(nèi)容的最高位置一,如果一,如果D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓大于被測電轉(zhuǎn)換器輸出的電壓大于被測電壓則清除該最高位,否則則保留該位。然后壓則清除該最高位

6、,否則則保留該位。然后再將次高位置一,進(jìn)行試探,高于被測電壓再將次高位置一,進(jìn)行試探,高于被測電壓則清除該位,否則保留該位。從高到低依次則清除該位,否則保留該位。從高到低依次進(jìn)行設(shè)置,則進(jìn)行設(shè)置,則N次測試后即可得到被測電壓次測試后即可得到被測電壓的數(shù)字值。的數(shù)字值。 實(shí)際相當(dāng)于搜索算法中的折半查找法實(shí)際相當(dāng)于搜索算法中的折半查找法1. 逐次逼近式從最高位開始從最高位開始的逐位試探法的逐位試探法時(shí)鐘時(shí)鐘復(fù)位復(fù)位數(shù)字輸出數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束轉(zhuǎn)換結(jié)束比較器比較器模擬輸入模擬輸入寄存器寄存器D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2. 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 原理:電路對未知模擬量進(jìn)行固定時(shí)間的積原理:電路對未知模擬

7、量進(jìn)行固定時(shí)間的積分,然后對標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行反向積分,電壓返分,然后對標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行反向積分,電壓返回起始值時(shí),通過比較兩次積分所花費(fèi)的時(shí)回起始值時(shí),通過比較兩次積分所花費(fèi)的時(shí)間,可得到被測電壓值。間,可得到被測電壓值。 特點(diǎn):需要高精度時(shí)鐘脈沖,精度高,抗干特點(diǎn):需要高精度時(shí)鐘脈沖,精度高,抗干擾,但轉(zhuǎn)換速度慢擾,但轉(zhuǎn)換速度慢2. 雙積分式兩個(gè)積分階段兩個(gè)積分階段實(shí)質(zhì)是電壓實(shí)質(zhì)是電壓/時(shí)間變換時(shí)間變換IREFIinVinVREF積分器積分器比較器比較器V/IV/I時(shí)鐘時(shí)鐘啟動(dòng)計(jì)數(shù)啟動(dòng)計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器數(shù)字輸出數(shù)字輸出T2T1Vc固定斜率固定斜率時(shí)間可變時(shí)間可變固定時(shí)間固定時(shí)間斜率可變斜率可變轉(zhuǎn)換結(jié)束

8、轉(zhuǎn)換結(jié)束3. 電壓頻率轉(zhuǎn)換法 V/F(1) 工作原理:由工作原理:由VFC模模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器、數(shù)轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器、控制門組成??刂崎T組成。 VFC產(chǎn)生頻率產(chǎn)生頻率f與與Vi成正比的脈成正比的脈沖。沖。 f=K*Vi。(2) VFC特點(diǎn) VFC價(jià)格不高。在零點(diǎn)漂移及非線性誤差等方面,性能均優(yōu)價(jià)格不高。在零點(diǎn)漂移及非線性誤差等方面,性能均優(yōu)于逐次逼近式于逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 VFC輸出頻率為輸出頻率為f的脈沖信號(hào),只需要兩根傳輸線就可進(jìn)行的脈沖信號(hào),只需要兩根傳輸線就可進(jìn)行傳送。用這種方式對生產(chǎn)現(xiàn)場的信號(hào)進(jìn)行采樣和遠(yuǎn)距離傳輸傳送。用這種方式對生產(chǎn)現(xiàn)場的信號(hào)進(jìn)行采樣和遠(yuǎn)距離傳輸都很方便

9、,且傳輸過程中的抗干擾能力強(qiáng)。都很方便,且傳輸過程中的抗干擾能力強(qiáng)。 VFC的輸入量為模似信號(hào)的輸入量為模似信號(hào)Vi,輸出的是脈沖信號(hào),只需采用,輸出的是脈沖信號(hào),只需采用光耦合器傳輸脈沖信號(hào),便可實(shí)現(xiàn)模似輸入信號(hào)光耦合器傳輸脈沖信號(hào),便可實(shí)現(xiàn)模似輸入信號(hào)Vi和計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的隔離。系統(tǒng)之間的隔離。 由于由于VFC的工作過程具有積分特性,對噪聲具有良好的濾波的工作過程具有積分特性,對噪聲具有良好的濾波作用。作用。采用采用VFC構(gòu)成構(gòu)成A/D轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較慢。轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較慢。小節(jié):A/D轉(zhuǎn)換的基本原理n存在多種存在多種A/D轉(zhuǎn)換技術(shù),各有特點(diǎn),分別應(yīng)轉(zhuǎn)換技術(shù),各有特

10、點(diǎn),分別應(yīng)用于不同的場合用于不同的場合n3種常用的轉(zhuǎn)換技術(shù)種常用的轉(zhuǎn)換技術(shù)n逐次逼近式:中速逐次逼近式:中速n雙積分式:慢速、價(jià)低高分辨、抗干擾雙積分式:慢速、價(jià)低高分辨、抗干擾n電壓頻率轉(zhuǎn)換法電壓頻率轉(zhuǎn)換法V/F:慢速、便于光隔、價(jià):慢速、便于光隔、價(jià)低低二、ADC主要性能指標(biāo) P2711. 分辨率分辨率分辨率表示轉(zhuǎn)換器對微小輸入量變化的敏感程分辨率表示轉(zhuǎn)換器對微小輸入量變化的敏感程度,通常用轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)來表示。度,通常用轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)來表示。例如,對例如,對8位位A/D轉(zhuǎn)換器,其數(shù)字輸出量的變轉(zhuǎn)換器,其數(shù)字輸出量的變化范圍為化范圍為0255,當(dāng)輸入電壓滿刻度為,當(dāng)輸入電壓

11、滿刻度為5V時(shí),轉(zhuǎn)換電路對輸入模擬電壓的分辨能力為時(shí),轉(zhuǎn)換電路對輸入模擬電壓的分辨能力為5V/25519.6mV。目前常用的目前常用的A/D轉(zhuǎn)換集成芯片的轉(zhuǎn)換位數(shù)有轉(zhuǎn)換集成芯片的轉(zhuǎn)換位數(shù)有8位、位、10位、位、12位和位和14位等。位等。2. 精度精度A/D轉(zhuǎn)換器的精度是指與數(shù)字輸出量所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換器的精度是指與數(shù)字輸出量所對應(yīng)的模擬輸入量的實(shí)際值與理論值之間的差值模擬輸入量的實(shí)際值與理論值之間的差值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換電路中與每個(gè)數(shù)字量對應(yīng)的模擬輸入轉(zhuǎn)換電路中與每個(gè)數(shù)字量對應(yīng)的模擬輸入量并非是單一的數(shù)值,而是一個(gè)范圍量并非是單一的數(shù)值,而是一個(gè)范圍。的大小,在理論上取決于電路的分辨率的大小,在理論上取決

12、于電路的分辨率n但在外界環(huán)境的影響下,與每一數(shù)字輸出量但在外界環(huán)境的影響下,與每一數(shù)字輸出量對應(yīng)的輸入量實(shí)際范圍往往偏離理論值對應(yīng)的輸入量實(shí)際范圍往往偏離理論值。n精度通常用最小有效位精度通常用最小有效位LSB的分?jǐn)?shù)值來表示的分?jǐn)?shù)值來表示n目前常用的目前常用的A/D轉(zhuǎn)換集成芯片的精度為轉(zhuǎn)換集成芯片的精度為1/42LSB。3. 轉(zhuǎn)換時(shí)間完成一次完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間,稱為轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間,稱為A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間。換電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間。在選用在選用A/D轉(zhuǎn)換集成芯片時(shí),應(yīng)綜合考慮分辨轉(zhuǎn)換集成芯片時(shí),應(yīng)綜合考慮分辨率、精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、使用環(huán)境溫度以及經(jīng)濟(jì)率、精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、使用環(huán)境溫度以

13、及經(jīng)濟(jì)性等諸因素。性等諸因素。P273表表12位位A/D轉(zhuǎn)換器適用于高分辨率系統(tǒng);陶瓷封轉(zhuǎn)換器適用于高分辨率系統(tǒng);陶瓷封裝裝A/D轉(zhuǎn)換芯片適用于轉(zhuǎn)換芯片適用于-25+85或或-55+125,塑料封裝芯片適且于,塑料封裝芯片適且于070。4. 溫度系數(shù)和增益系數(shù)溫度系數(shù)和增益系數(shù)這兩項(xiàng)指標(biāo)都是表示這兩項(xiàng)指標(biāo)都是表示A/D轉(zhuǎn)換器受環(huán)境溫度影轉(zhuǎn)換器受環(huán)境溫度影響的程度。一般用每攝氏度溫度變化所產(chǎn)生響的程度。一般用每攝氏度溫度變化所產(chǎn)生的相對誤差作為指標(biāo),以的相對誤差作為指標(biāo),以ppm/為單位表為單位表示。示。5. 對電源電壓變化的抑制比對電源電壓變化的抑制比A/D轉(zhuǎn)換器對電源電壓變化的抑制比轉(zhuǎn)換器對

14、電源電壓變化的抑制比(PSRR)用改變電源電壓使數(shù)據(jù)發(fā)生用改變電源電壓使數(shù)據(jù)發(fā)生1LSB變化時(shí)所變化時(shí)所對應(yīng)的電源電壓變化范圍來表示。對應(yīng)的電源電壓變化范圍來表示。三、ADC0809芯片 P279 ADC 0809是是National半導(dǎo)體公司生產(chǎn)半導(dǎo)體公司生產(chǎn)CMOS材料的材料的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器逐次比較式)。具有逐次比較式)。具有8個(gè)通道的模擬量輸入線,可在程序控制下對任個(gè)通道的模擬量輸入線,可在程序控制下對任意通道進(jìn)行意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,得到轉(zhuǎn)換,得到8位二進(jìn)制數(shù)字量。其主要技術(shù)指標(biāo)如下:位二進(jìn)制數(shù)字量。其主要技術(shù)指標(biāo)如下:電源電壓電源電壓6.5V分辨率分辨率8位位時(shí)鐘頻率時(shí)鐘頻率64

15、0kHz轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間100s未經(jīng)調(diào)整誤差未經(jīng)調(diào)整誤差1/2LSB和和1LSB模擬量輸入電壓范圍模擬量輸入電壓范圍05V功耗功耗15mWADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ADC0809地址鎖存地址鎖存和譯碼和譯碼OE通道通道選擇選擇開關(guān)開關(guān)ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位位三態(tài)三態(tài)鎖存鎖存緩沖器緩沖器DACVcc比較器比較器CLOCKSTARTGND VREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器SAR定時(shí)和控制定時(shí)和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOC1. ADC0809的模擬輸入n提供一個(gè)提供一個(gè)8通道的多路開關(guān)和尋址邏輯通道的多

16、路開關(guān)和尋址邏輯nIN0IN7:8個(gè)模擬電壓輸入端個(gè)模擬電壓輸入端nADDA、ADDB、ADDC:3個(gè)地址輸入個(gè)地址輸入線線nALE:地址鎖存允許信號(hào):地址鎖存允許信號(hào)(上升沿有效上升沿有效)nALE的上升沿用于鎖存的上升沿用于鎖存3個(gè)地址輸入的狀個(gè)地址輸入的狀態(tài),然后由譯碼器從態(tài),然后由譯碼器從8個(gè)模擬輸入中選擇個(gè)模擬輸入中選擇一個(gè)模擬輸入端進(jìn)行一個(gè)模擬輸入端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換2. ADC0809的數(shù)字輸出ADC0809內(nèi)部鎖存轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量內(nèi)部鎖存轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量具有三態(tài)數(shù)字量輸出端具有三態(tài)數(shù)字量輸出端D0D7配合輸出允許信號(hào)配合輸出允許信號(hào)OE 當(dāng)輸出允許信號(hào)當(dāng)輸出允許信號(hào)OE為高電平有效

17、時(shí),將為高電平有效時(shí),將三態(tài)鎖存緩沖器的數(shù)字量從三態(tài)鎖存緩沖器的數(shù)字量從D0D7輸輸出出4. ADC0809的轉(zhuǎn)換公式 (補(bǔ)充)8)(REF)(REF)(REFin2VVVVN輸入模擬電壓輸入模擬電壓輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量基準(zhǔn)電壓正極基準(zhǔn)電壓正極基準(zhǔn)電壓負(fù)極基準(zhǔn)電壓負(fù)極 也就是說,轉(zhuǎn)換結(jié)果反映的是輸入電壓在兩個(gè)比較電壓值之間的比例關(guān)系。 例如 V-REF=0V V+REF=5V 則Dout=(Vin-5)*255問:輸入電壓5.2V,輸出多少?單極性轉(zhuǎn)換示例n基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓VREF(+)5V,VREF()0Vn輸入模擬電壓輸入模擬電壓Vin1.5VnN (1.50)(50)256n76.877

18、4DHn 也就是說,轉(zhuǎn)換結(jié)果反映的是輸入電壓也就是說,轉(zhuǎn)換結(jié)果反映的是輸入電壓在兩個(gè)比較電壓值之間的比例關(guān)系。在兩個(gè)比較電壓值之間的比例關(guān)系。n問:輸入電壓問:輸入電壓5.2V,輸出多少?,輸出多少?8)(REF)(REF)(REFin2VVVVN雙極性轉(zhuǎn)換示例n基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓VREF(+)5V,VREF()5Vn輸入模擬電壓輸入模擬電壓Vin1.5VnN (1.55)(55)256n89.6905AH8)(REF)(REF)(REFin2VVVVN1. 數(shù)據(jù)輸出線的連接n與主機(jī)的連接可分成兩種方式與主機(jī)的連接可分成兩種方式n直接相連:用于輸出帶有三態(tài)鎖存器的直接相連:用于輸出帶有三態(tài)鎖存器

19、的ADC芯片芯片n通過三態(tài)鎖存器相連:適用于不帶三態(tài)通過三態(tài)鎖存器相連:適用于不帶三態(tài)鎖存器的鎖存器的ADC芯片,也適用帶有三態(tài)鎖芯片,也適用帶有三態(tài)鎖存緩沖器的芯片存緩沖器的芯片nADC芯片的數(shù)字輸出位數(shù)大于系統(tǒng)數(shù)據(jù)芯片的數(shù)字輸出位數(shù)大于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線位數(shù),需把數(shù)據(jù)分多次讀取總線位數(shù),需把數(shù)據(jù)分多次讀取2. A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)n主機(jī)產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)有兩種方法主機(jī)產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)有兩種方法n編程啟動(dòng)編程啟動(dòng)n軟件上,執(zhí)行一個(gè)輸出指令軟件上,執(zhí)行一個(gè)輸出指令n硬件上,利用輸出指令產(chǎn)生硬件上,利用輸出指令產(chǎn)生ADC啟動(dòng)脈啟動(dòng)脈沖,或產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)有效電平?jīng)_,或產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)有效電平n定時(shí)啟動(dòng)定時(shí)啟動(dòng)n啟動(dòng)信號(hào)來自

20、定時(shí)器輸出啟動(dòng)信號(hào)來自定時(shí)器輸出3. 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的處理v不同的處理方式對應(yīng)程序設(shè)計(jì)方法不同不同的處理方式對應(yīng)程序設(shè)計(jì)方法不同v 查詢方式查詢方式把結(jié)束信號(hào)作為狀態(tài)信號(hào)把結(jié)束信號(hào)作為狀態(tài)信號(hào)v 中斷方式中斷方式把結(jié)束信號(hào)作為中斷請求把結(jié)束信號(hào)作為中斷請求信號(hào)信號(hào)v 延時(shí)方式延時(shí)方式不使用轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)不使用轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)v DMA方式方式把結(jié)束信號(hào)作為把結(jié)束信號(hào)作為DMA請請求信號(hào)求信號(hào)例1、延時(shí)方式ADC 0809與系統(tǒng)總線的連接n微機(jī)的地址線通過譯碼器輸出端作為微機(jī)的地址線通過譯碼器輸出端作為ADC 0809的片選的片選信號(hào)。以信號(hào)。以M/IO,WR和地址譯碼輸出信號(hào)的組合作為啟和地址譯碼輸出信號(hào)的組合作為啟動(dòng)信號(hào)動(dòng)信號(hào)START和地址鎖存信號(hào)和地址鎖存信號(hào)ALE。n以

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