第10章计数器／定时器与模拟量转换剖析

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1、第10章 计数器/定时器与模拟量转换 教学内容 10.1 可编程计数器/定时器 10.1.1 可编程计数器/定时器的基本工作原理 10.1.2 8253的内部结构及引脚 10.1.3 8253的控制字 10.1.4 端口C的状态字 10.1.5 8253的应用举例,教学目标 1掌握接口芯片8253功能特点，理解其使用方法。 重点内容 1 8253的基本工作原理和内部结构及引脚。 2 8253的控制字 3 8253的工作方式。 4 8253的应用举例。 难点内容 8253的工作方式。 学时数 4学时,10.1 可编程计数器/定时器 实现定时计数功能的常用方法可归纳为以下三种： （1）软件定时 （

2、2）纯硬件定时 （3）可编程定时器 10.1.1 可编程计数器定时器的基本工作原理 1. 基本功能 以8253芯片为例来说明其基本功能，大致可概括为以下五点： 1）3个计数器：每个8253芯片上有3个独立的16位计数通道。 2）210MHz的计数频率：每个计数器的计数频率范围为0 2MHz，其改进型82542的计数频率范围为010MHz。 3）2种数制计数：每个计数器都可以按照二进制或十进制计数。 4）6种工作方式：每个计数通道都有6种工作方式，可由程序设置或改变。 5）与TTL兼容：所有输入/输出引脚都与TTL兼容。,2. 基本工作原理 8253工作时首先设置好计数初值，然后每当有一个计数脉

3、冲到来时，计数单元减1，减到0后，8253输出一个响应信号。如果输入的计数脉冲的频率恒定，一定数量的计数脉冲就对应一定的间隔时间，这样就成为一个定时器。,1）控制寄存器 控制寄存器是从数据总线缓冲器中接收控制字，以确定计数器的操作方式。 2）初始值寄存器 用来存放计数器所需要的初始值。,3）计数输出寄存器 用来存放计数器中的内容，可由CPU读出。 4）状态寄存器 提供计数器定时器当前所处的状态，这些状态有利于了解计数器定时器某时刻的内部情况。 5）计数器 计数器实际是一个具有减“1”功能的减法器。 计数器的三个重要信号： OUT信号：计数到0后的输出。 CLK信号：计数脉冲输入。 定时器所能实

4、现的定时时间取决于计数脉冲的频率和计数器的初值，即： 定时时间时钟脉冲周期*预置的计数初值 GATE信号：门控输入信号。,10.1.2 8253的内部结构及引脚,（1）数据总线缓冲器 （2）读/写逻辑电路 各控制信号及作用如下： A1和A0：端口选择信号。 ：读信号，低电平有效。 ：写信号，低电平有效。 ：片选信号，低电平有效。,(3) 计数器 每个通道有一个16位的初始值寄存器（CR）、一个16位的计数执行部件（CE）和一个16位的输出锁存器（OL）。CPU通过输出指令将计数初始值存到CR中，用输入指令读OL中的内容，8253工作时首先从CR中将初始值装入到CE中，然后在CE中进行减1计数。

5、 (4)控制寄存器 8253的控制寄存器是只写不读的，三个通道共用一个控制寄存器。,10.1.3 8253的控制字 1.计数方式的设定 8253有两种计数方式：二进制计数和BCD码计数。选择数制采用控制字的D0位来设定。,2.工作方式的设定 8253有6种工作方式：方式0方式5。 3.读写格式的设定 8253有4种写入计数初值格式或读计数值格式的设定，选择读写格式采用控制字的D5、D4位来设定。00是将计数器的当前值锁存到输出寄存器，使CPU可以分两次来读取当前计数值；01是仅将该计数器作为8位使用；10是作为16位计数器使用，但只读、写其高8位，将低8位忽略不计；11是作为16位计数器使用，

6、先读、写其低8位，再读、写其高8位。 4.计数器通道的选择 用D7和D6来选择本次控制字的使用对象。,10.1.4 8253的工作方式 1.方式0计数结束中断方式 控制字将计数器设置为方式0后OUT变为低电平，写入计数初值后的下一个CLK的下降沿启动计数，其后每个CLK的下降沿计数值减1，减到0后OUT变为高电平。,计数结束中断方式的特点： （1）OUT信号 控制字写入后，OUT变低电平，直到计数器减到0时才变为高电平。OUT输出可以作为计数结束的中断信号。 （2）GATE信号 计数器受GATE信号控制，当GATE0时，停止计数器的计数操作；当GATE1时，计数器继续计数。 （3）初始值 使用

7、8位计数器和使用16位计数器忽略低8位时，只写入一次计数初值；使用完全16位计数器时，须分两次写入计数初值的高、低8位。 每次装入初始值后计数器只计数一遍。 计数过程中可重新装入计数初值。在写入新的计数初值后计数器立即按新的计数初值开始重新计数。 若设置初值为N，输出信号OUT是在N+1个CLK脉冲后才变高的。,2.方式1可编程单稳触发器 可编程单稳触发器方式的特点： （1）OUT信号 控制字写入后，OUT变高电平，CPU写入计数初始值后，计数器并不计数，直到GATE信号上升沿后的下一个CLK下降沿OUT变为低电平。 计数器减到0时，OUT输出才变为高电平。,（2）GATE信号 GATE信号在

8、方式1中起触发信号作用。CPU写入计数值后，计数器必须由GATE信号触发才开始计数。允许GATE信号多次触发，计数过程中，外部可用GATE脉冲进行再触发。 （3）初始值 计数过程中，CPU可改写初始值，但计数过程不受影响，计数将按原来的初始值减到0，在GATE信号再次触发后，才会按新的初始值重新开始计数。,3.方式2分频器 分频器方式的特点： （1）OUT信号 OUT信号是输入时钟按照计数值N次分频后的一个连续脉冲。此方式可以作为一个脉冲速率发生器或用于产生实时时钟中断。,（2）GATE信号 计数器的初始值写入后，只有当GATE引脚为高电平时，计数器才开始递减计数。GATE端每一次由低到高的跳

9、变触发，都将引起一次重新从CR向CE的装入操作。 （3）初始值 计数过程中，CPU可改写初始值，但当前计数过程不受影响，计数将按原来的初始值减到0，OUT输出一个负脉冲，计数器装入新的初始值后重新开始计数。,4.方式3方波发生器 方波发生器方式的特点： （1）OUT信号 方式3的OUT信号与方式2的工作类似，输出均为周期性的，但方式3的输出为方波。 （2）GATE信号 方式3的GATE信号与方式2的作用相同。,（3）初始值 当初始值为偶数时，输出方波的占空比一定为50（N2）。 当初始值为奇数时，输出方波的高电平占（N1）2个输入时钟周期，低电平占（N1）2个输入时钟周期。 计数过程中，CPU

10、可改写初始值，但当前计数周期不受影响，在下一个计数周期就按新的初始值重新开始计数。,5.方式4软件触发选通 软件触发选通方式必须注意以下几点： （1）OUT信号 控制字写入后，OUT变高电平。CPU写入计数初始值后，当GATE信号为高电平时开始计数，直到计数器减到0时，OUT输出一个输入时钟宽度的低电平，然后OUT恢复高电平。 （2）GATE信号 当GATE1时，计数器正常工作，当GATE0时，计数器停止减1操作。 （3）初始值 计数过程中，CPU可以更改计数初始值，并从新初始值开始计数。,6.方式5硬件触发选通 硬件触发选通方式的特点： （1）OUT信号 控制字写入后，OUT变高电平，CPU

11、写入计数初始值后，计数器并不立即开始计数，必须由GATE的上升沿触发启动计数。当计数到0时，输出OUT变低电平，经过一个CLK脉冲后，OUT恢复为高，并停止计数。,（2）GATE信号 计数过程是由GATE的上升沿“触发” 启动计数的。在计数过程中又有GATE上升沿时，则计数器重新从初始值开始计数，但对于输出OUT的状态没有影响。 （3）初始值 计数过程中，CPU可以更改计数初始值，在没有GATE信号触发的情况下，不影响计数过程。当计数减到0后，若此时有新的GATE信号触发，则按新的计数值重新开始计数。,7. 8253各工作方式之间的异同点 （1）各工作方式的共同点 1）当控制字写入计数器时，所

12、有的控制逻辑电路立即复位，输出端OUT进入初始状态：高电平或者低电平。 2）初始值写入后，要经过一个时钟上升沿和一个下降沿，计数执行部件才开始工作。 3）在时钟脉冲CLK的上升沿时，门控信号GATE才被采样。 （2）各工作方式的不同点 1）软件触发启动计数 方式0和方式4为软件启动计数，没有自动重新装入计数初值功能。方式0在计数过程中保持低电平，计数结束时变成高电平。方式4在计数的前一个CLK周期输出一个负脉冲。 2）硬件触发启动计数 方式1和方式5为硬件启动计数，在写入计数初值后还要等待GATE的上升沿才能启动计数。,3）自动装入计数初值 方式2和方式3具有自动重新装入计数初值的功能。 4）

13、门控信号GATE的控制作用,10.1.5 8253的应用举例 设8253的端口地址为40H43H。系统提供的时钟位2MHz，要求产生一个频率为2kHz的信号，其中每个周期中高电平的时间为475uS。请编写8253的初始化程序。 解 要产生一个频率为2kHz的信号，即周期为500uS，高电平时间为475uS的周期信号，可采用通道0的方式2实现， 其计数通道的输入时钟周期应为500-475=25uS。 再用通道1单独产生周期为为25uS的方波作为通道0的输入时钟， 系统提供的时钟周期为T=0.5uS， 作为通道1的输入时钟。 因此通道1计数初值=25/0.5=50，采用方式3实现。把OUT1连接到

14、CLK0，而通道0工作在方式2，计数初值=500/25=20。初始化程序如下。,具体的程序段如下： MOV AL，00010100B OUT 43H，AL ;计数器0，使用低8位，方式2，二进制 MOV AL，20 OUT 40H，AL ;置计数器0初值20 MOV AL，01010110B OUT 43H，AL ;计数器1，使用低8位，方式3，二进制 MOV AX，50 OUT 43H，AL ;置计数器1初值50,10.2 数/模转换 计算机内部只能使用数字量，而工业生产中常见的电压、电流、压力等都是模拟量，因此需要进行转换。 10.2.1 概述 1.数模（D/A）转换原理 要点：T型电阻网

15、络仅使用2种阻值的电阻；运算放大器的正端接地，负端位虚地；用计算机端口的某一位控制Sx；VOUT输出值与Sx成正比。,当T型电阻网络的支路位n时，输出电压 。即输出电压的绝对值正比于数字量Di。,2.D/A转换器的主要性能指标 （1）分辨率 分辨率是指D/A转换器能分辨的最小电压增量。一般来说转换器的位数越多，分辨率也越高。因此，也常用D/A转换器的位数来表示分辨率，如8位、10位、12位等。 （2）转换精度 转换精度是指D/A转换器实际输出电压与理论值之间的误差。通常采用数字量的最低有效位LSB作为衡量单位，记作1LSB、 1/2LSB、1/4LSB等。 （3）建立时间 建立时间是指D/A转

16、换器满刻度变化时，输出达到满刻度值 1/2LSB并稳定时所需时间，约即纳秒至几微秒。 （4）线性误差 相邻两个数字量之间的差应为1LSB，即线性的。在满量程范围内，偏离此理想线性的最大值称为线性误差。 （5）温度系数 在规定范围内，温度每变化1引起的增益、线性度、零点偏移等参数的变化量。,10.2.2 D/A转换芯片 DAC0832。 1.内部结构和引脚,2.工作方式 DAC0832内部有2级锁存器，可构成3种工作方式。 （1）直通方式 当 、 、 和 引脚直接接数字地，ILE引脚为高电平时，芯片工作于直通方式，即不使用锁存器缓冲。 （2）单缓冲方式 使用ILE、 、 进行控制， 、 接地，即DAC寄存器直通，仅使用输入寄存器缓冲。 使用 、 进行控制，ILE接高电平， 、 接地，即输入寄存器直通，仅使用DAC寄存器缓冲。 、 、 、 和ILE都参与控制，使DAC寄存器和输入寄存器同时