第10章計數(shù)器／定時器與模擬量轉換

1、第第1010章章 計數(shù)器計數(shù)器/ /定時器與模擬量轉換定時器與模擬量轉換教學內容教學內容 10.1 可編程計數(shù)器/定時器 10.1.1 可編程計數(shù)器/定時器的基本工作原理 10.1.2 8253的內部結構及引腳 10.1.3 8253的控制字 10.1.4 端口C的狀態(tài)字 10.1.5 8253的應用舉例教學目標教學目標 1掌握接口芯片8253功能特點，理解其使用方法。重點內容重點內容 1 8253的基本工作原理和內部結構及引腳。 2 8253的控制字 3 8253的工作方式。 4 8253的應用舉例。難點內容難點內容 8253的工作方式。學時數(shù)學時數(shù) 4學時10.1 10.1 可編程計數(shù)器可

2、編程計數(shù)器/ /定時器定時器 實現(xiàn)定時計數(shù)功能的常用方法可歸納為以下三種： （1）軟件定時 （2）純硬件定時 （3）可編程定時器10.1.1 10.1.1 可編程計數(shù)器定時器的基本工作原理可編程計數(shù)器定時器的基本工作原理 1. 1. 基本功能基本功能 以8253芯片為例來說明其基本功能，大致可概括為以下五點： 1）3個計數(shù)器：每個8253芯片上有3個獨立的16位計數(shù)通道。 2）210MHz的計數(shù)頻率：每個計數(shù)器的計數(shù)頻率范圍為0 2MHz，其改進型82542的計數(shù)頻率范圍為010MHz。 3）2種數(shù)制計數(shù)：每個計數(shù)器都可以按照二進制或十進制計數(shù)。 4）6種工作方式：每個計數(shù)通道都有6種工作方式

3、，可由程序設置或改變。 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工作時首先設置好計數(shù)初值，然后每當有一個計數(shù)脈沖到來時，計數(shù)單元減1，減到0后，8253輸出一個響應信號。如果輸入的計數(shù)脈沖的頻率恒定，一定數(shù)量的計數(shù)脈沖就對應一定的間隔時間，這樣就成為一個定時器。 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，以確定計數(shù)器的操作方式。 2）初始值寄存器 用來存放計數(shù)器所需要的初始值。 3）計數(shù)輸出寄存器 用來存放計數(shù)器中的內容，可由CPU讀出。 4）狀態(tài)寄存器 提供計數(shù)器定時器當前所處的狀態(tài)，這些狀態(tài)有利于了解計數(shù)器定時器某

4、時刻的內部情況。 5）計數(shù)器 計數(shù)器實際是一個具有減“1”功能的減法器。 計數(shù)器的三個重要信號： OUT信號：計數(shù)到0后的輸出。 CLK信號：計數(shù)脈沖輸入。 定時器所能實現(xiàn)的定時時間取決于計數(shù)脈沖的頻率和計數(shù)器的初值，即： 定時時間時鐘脈沖周期*預置的計數(shù)初值 GATE信號：門控輸入信號。10.1.2 825310.1.2 8253的內部結構及引腳的內部結構及引腳 （1）數(shù)據(jù)總線緩沖器 （2）讀/寫邏輯電路 各控制信號及作用如下： A1和A0：端口選擇信號。 ：讀信號，低電平有效。 ：寫信號，低電平有效。 ：片選信號，低電平有效。 RDWRCS (3) 計數(shù)器 每個通道有一個16位的初始值寄存

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

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

7、結束中斷方式的特點： （1）OUT信號 控制字寫入后，OUT變低電平，直到計數(shù)器減到0時才變?yōu)楦唠娖?。OUT輸出可以作為計數(shù)結束的中斷信號。 （2）GATE信號 計數(shù)器受GATE信號控制，當GATE0時，停止計數(shù)器的計數(shù)操作；當GATE1時，計數(shù)器繼續(xù)計數(shù)。 （3）初始值 使用8位計數(shù)器和使用16位計數(shù)器忽略低8位時，只寫入一次計數(shù)初值；使用完全16位計數(shù)器時，須分兩次寫入計數(shù)初值的高、低8位。 每次裝入初始值后計數(shù)器只計數(shù)一遍。 計數(shù)過程中可重新裝入計數(shù)初值。在寫入新的計數(shù)初值后計數(shù)器立即按新的計數(shù)初值開始重新計數(shù)。 若設置初值為N，輸出信號OUT是在N+1個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： （1）OUT信號 控制字寫入后，OUT變高電平，CPU寫入計數(shù)初始值后，計數(shù)器并不計數(shù)，直到GATE信號上升沿后的下一個CLK下降沿OUT變?yōu)榈碗娖健?計數(shù)器減到0時，OUT輸出才變?yōu)楦唠娖健?（2）GATE信號 GATE信號在方式1中起觸發(fā)信號作用。CPU寫入計數(shù)值后，計數(shù)器必須由GATE信號觸發(fā)才開始計數(shù)。允許GATE信號多次觸發(fā)，計數(shù)過程中，外部可用GATE脈沖進行再觸發(fā)。 （3）初始值 計數(shù)過程中，CPU可改寫初始值，但計數(shù)過程不受影響，計數(shù)將按原來的初始值減到0，在GATE信號再次觸發(fā)后，才會按新的初始值重新開始計數(shù)。 3.方式2分頻

9、器 分頻器方式的特點： （1）OUT信號 OUT信號是輸入時鐘按照計數(shù)值N次分頻后的一個連續(xù)脈沖。此方式可以作為一個脈沖速率發(fā)生器或用于產(chǎn)生實時時鐘中斷。 （2）GATE信號 計數(shù)器的初始值寫入后，只有當GATE引腳為高電平時，計數(shù)器才開始遞減計數(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 計數(shù)過程中，CPU可改寫初始值，但當前計數(shù)過程不受影響，計數(shù)將按原來的初始值減到0，OUT輸出一個負脈沖，計數(shù)器裝入新的初始值后重新開始計數(shù)。 4.方式3方波發(fā)生器 方波發(fā)生器方式的特點： （1）OUT信號 方式3的OUT信號與方式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 方式3的GATE信號與方式2的作用相同。 （3）初始值 當初始值為偶數(shù)時，輸出方波的占空比一定為50（N2）。 當初始值為奇數(shù)時，輸出方波的高電平占（N1）2個輸入時鐘周期，低電平占（N1）2個輸入時鐘周期。 計數(shù)過程中，CPU可改寫初始值，但當前計數(shù)周期不受影響，在下一個計數(shù)周期就按新的初始值重新開始計數(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： （1）OUT信號 控制字寫入后，OUT變高電平。CPU寫入計數(shù)初始值后，當GATE信號為高電平時開始計數(shù)，直到計數(shù)器減到0時，OUT輸出一個輸入時鐘寬度的低電平，然后OUT恢復高

11、電平。 （2）GATE信號 當GATE1時，計數(shù)器正常工作，當GATE0時，計數(shù)器停止減1操作。 （3）初始值 計數(shù)過程中，CPU可以更改計數(shù)初始值，并從新初始值開始計數(shù)。 6.方式5硬件觸發(fā)選通 硬件觸發(fā)選通方式的特點： （1）OUT信號 控制字寫入后，OUT變高電平，CPU寫入計數(shù)初始值后，計數(shù)器并不立即開始計數(shù)，必須由GATE的上升沿觸發(fā)啟動計數(shù)。當計數(shù)到0時，輸出OUT變低電平，經(jīng)過一個CLK脈沖后，OUT恢復為高，并停止計數(shù)。 （2）GATE信號 計數(shù)過程是由GATE的上升沿“觸發(fā)” 啟動計數(shù)的。在計數(shù)過程中又有GATE上升沿時，則計數(shù)器重新從初始值開始計數(shù)，但對于輸出OUT的狀態(tài)沒

12、有影響。 （3）初始值 計數(shù)過程中，CPU可以更改計數(shù)初始值，在沒有GATE信號觸發(fā)的情況下，不影響計數(shù)過程。當計數(shù)減到0后，若此時有新的GATE信號觸發(fā)，則按新的計數(shù)值重新開始計數(shù)。 7. 8253各工作方式之間的異同點 （1）各工作方式的共同點 1）當控制字寫入計數(shù)器時，所有的控制邏輯電路立即復位，輸出端OUT進入初始狀態(tài)：高電平或者低電平。 2）初始值寫入后，要經(jīng)過一個時鐘上升沿和一個下降沿，計數(shù)執(zhí)行部件才開始工作。 3）在時鐘脈沖CLK的上升沿時，門控信號GATE才被采樣。 （2）各工作方式的不同點 1）軟件觸發(fā)啟動計數(shù) 方式0和方式4為軟件啟動計數(shù)，沒有自動重新裝入計數(shù)初值功能。方式

13、0在計數(shù)過程中保持低電平，計數(shù)結束時變成高電平。方式4在計數(shù)的前一個CLK周期輸出一個負脈沖。 2）硬件觸發(fā)啟動計數(shù) 方式1和方式5為硬件啟動計數(shù)，在寫入計數(shù)初值后還要等待GATE的上升沿才能啟動計數(shù)。 3）自動裝入計數(shù)初值 方式2和方式3具有自動重新裝入計數(shù)初值的功能。 4）門控信號GATE的控制作用 10.1.5 825310.1.5 8253的應用舉例的應用舉例 設8253的端口地址為40H43H。系統(tǒng)提供的時鐘位2MHz，要求產(chǎn)生一個頻率為2kHz的信號，其中每個周期中高電平的時間為475uS。請編寫8253的初始化程序。 解 要產(chǎn)生一個頻率為2kHz的信號，即周期為500uS，高電平

14、時間為475uS的周期信號，可采用通道0的方式2實現(xiàn)， 其計數(shù)通道的輸入時鐘周期應為500-475=25uS。 再用通道1單獨產(chǎn)生周期為為25uS的方波作為通道0的輸入時鐘， 系統(tǒng)提供的時鐘周期為T=0.5uS， 作為通道1的輸入時鐘。 因此通道1計數(shù)初值=25/0.5=50，采用方式3實現(xiàn)。把OUT1連接到CLK0，而通道0工作在方式2，計數(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 ;計數(shù)器0，使用低8位，方式2，二進制 MOV AL，20 OUT 40H，AL ;置計數(shù)器0初值20 MOV AL，01010110

15、B OUT 43H，AL ;計數(shù)器1，使用低8位，方式3，二進制 MOV AX，50 OUT 43H，AL ;置計數(shù)器1初值5010.2 10.2 數(shù)數(shù)/ /模轉換模轉換 計算機內部只能使用數(shù)字量，而工業(yè)生產(chǎn)中常見的電壓、電流、壓力等都是模擬量，因此需要進行轉換。10.2.1 10.2.1 概述概述 1.數(shù)模（D/A）轉換原理 要點：T型電阻網(wǎng)絡僅使用2種阻值的電阻；運算放大器的正端接地，負端位虛地；用計算機端口的某一位控制Sx；VOUT輸出值與Sx成正比。 )V161DV81DV41DV21D(REF0REF1REF2REF330iii4REFD22V1n0iiinREFOUTD22VV30

16、iiOUTOUTRIRIV 當T型電阻網(wǎng)絡的支路位n時，輸出電壓 。即輸出電壓的絕對值正比于數(shù)字量Di。 2.D/A轉換器的主要性能指標 （1）分辨率 分辨率是指D/A轉換器能分辨的最小電壓增量。一般來說轉換器的位數(shù)越多，分辨率也越高。因此，也常用D/A轉換器的位數(shù)來表示分辨率，如8位、10位、12位等。 （2）轉換精度 轉換精度是指D/A轉換器實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）建立時間 建立時間是指D/A轉換器滿刻度變化時，輸出達到滿刻度值 1/2LSB并穩(wěn)定時所需時間，約即納秒至幾微秒。 （4

17、）線性誤差 相鄰兩個數(shù)字量之間的差應為1LSB，即線性的。在滿量程范圍內，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，溫度每變化1引起的增益、線性度、零點偏移等參數(shù)的變化量。10.2.2 D/A10.2.2 D/A轉換芯片轉換芯片 DAC0832。 1.內部結構和引腳 2.工作方式 DAC0832內部有2級鎖存器，可構成3種工作方式。 （1）直通方式 當 、 、 和 引腳直接接數(shù)字地，ILE引腳為高電平時，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打開和鎖存。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)字量進入DAC寄存器，獲得D/A輸出。 這種方式僅用于要求多個D/A輸出同時有效的場合。10.2.3 D/A10.2.3 D/A轉換器的應用轉換器的應用 1.D/A轉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，相關選通端有效。 （2）輸出電路 DAC0832內部沒有運算放大器，須外接。有單極性和雙極性方式。 2.DAC0832的應用實例 通過編程獲得19V的三角波。 使用單緩沖方式。輸出為010V。MOV AL,19HL1:OUT