硬件第9章2009.ppt

1、第9章 常用接口芯片,2,主要内容,可编程计数器/定时器，8254芯片(有实验) 数模(D/A)转换器，DAC0832芯片(有实验) 模数(A/D)转换芯片,3,9.1 可编程计数器/定时器8254芯片,特点： 可以通过指令设置工作模式，满足不同要求 本节内容: 8254芯片工作方式 8254芯片与系统的连接 8254芯片初始化编程,4,9.1.1 8254外部引脚及内部结构,24个引脚，含三个独立定时器/计数器 每个定时器/计数器具有一个地址,RD WR A0 A1 CS,D0D7,数据总线缓冲器,读 写 控制 电 路,控制 寄存器,片内 总线,计数器0,计数器1,计数器2,CLK1 GAT

2、E1 OUT1,CLK2 GATE2 OUT2,下面分别说明,CLK0 GATE0 OUT0,5,1. 主要引脚,CLK ： 时钟脉冲输入端 GATE：门控信号输入端，用于启动或禁止计数器减1操作 OUT： 计数器输出信号，用于输出波形 D0D7 CS RD WR A0 A1,A1 A0 含义 0 0 选择计数器0 0 1 选择计数器1 1 0 选择计数器2 1 1 选择控制寄存器,6,2. 内部结构,计数器：3个16位减1计数器(硬件减法计数器) 控制寄存器：存放8位控制命令字，确定计数器工作方式(有6种工作方式)，能写入和读出命令字 读写控制电路：产生各部分控制信号,D0D7,数据总线缓冲

3、器,读 写 控制 电 路,控制 寄存器,片内 总线,计数器0,计数器1,计数器2,RD WR A0 A1 CS,CLK0 GATE0 OUT0,CLK1 GATE1 OUT1,CLK2 GATE2 OUT2,7,3. 计数原理,给计数器设定初值后，每来一个脉冲减1，减到0时，从OUT端输出一个信号，此过程可以重复。,RD WR A0 A1 CS,D0D7,数据总线缓冲器,读 写 控制 电 路,控制 寄存器,片内 总线,计数器0,计数器1,计数器2,CLK0 GATE0 OUT0,CLK1 GATE1 OUT1,CLK2 GATE2 OUT2,8,4. 计数的启动方式,计数器,CLK GATE

4、高电平 OUT,包括：软件启动、硬件启动 硬件启动： 启动前：门控信号GATE为低电平 用OUT指令置计数初值后，不开始计数(减1) 当GATE由低变高时，开始计数(减1) 软件启动： 理论：GATE端高电平，用OUT指令置计数初值后开始计数 事实：写入计数初值后的第2个CLK脉冲的下降沿开始计数,9,9.1.2 8254的工作方式及控制字计数器,方式0 方式1,软件启动，不自动重复计数 装入初值后输出端变低电平 计数结束输出高电平,硬件启动，不自动重复计数 装入初值后输出端变高电平 计数开始输出低电平，结束后又变高,共有6种工作方式，通过控制字进行设置,10,自动重复工作方式,方式2 方式3

5、,软、硬件启动，自动重复计数 装入初值后输出端变高电平 计数到最后一个脉冲时输出低电平,软、硬件启动，自动重复计数 装入初值后输出端变高电平 输出对称方波,11,不自动重复工作方式,方式4 方式5,软件启动，不自动重复计数。 装入初值后输出端变高电平， 计数结束输出一个CLK宽度的低电平,硬件启动，不自动重复计数 波形与方式4相同,12,8254控制寄存器和控制字,用于设置计数器的工作方式，能写入和读出控制(命令)字。 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,选择工作方式,选择计数器,设置计数长度,选择计数制,00 计数器0 01 计数器1 10 计数器2 11 读出控制字,000 方

6、式0 001 方式1 10 方式2 11 方式3 100 方式4 101 方式5,0 二进制 4位16进制数 BCD 4位10进制数,00 计数器数据存到缓冲器 01 只读/写计数器低8位 10 只读/写计数器高8位 11 先读/写低8位后高8位,题目：写出控制字。要求是：选择计数器0，使用计数器的16位，先写计数器低8位，再写高8位，方式3，二进制计数。 答： 控制字是36H ( 0 0 1 1 0 1 1 0 B ),13,计数器的计数范围和最大计数值,D0位：用于选择计数制(0为二进制、1为BCD) 每个计数器的字长为16位 二进制数的计数范围：0000H FFFFH (4位16进制数)

7、 即 0 65535，最大计数值：65536 (0) 计数初值设为0时，对应最大计数值65536 BCD数的计数范围：0000 9999 (4位十进制数) 即 0 9999，最大计数值：10000 计数初值设为0时，对应最大计数值10000,14,主要涉及两个问题: 1. 8254如何与系统连接 2. 8254的初始化编程,9.1.3 8254应用举例,15,D0D7,系 统 总 线,A2A15,译 码 器,CLK0 GATE0 OUT0,D0D7,WR,RD,A1,A0,A0,IOR,A1,IOW,CLK1 GATE1 OUT1,CLK2 GATE2 OUT2,CS,1. 8254与系统的连

8、接,16,2. 8254初始化编程,包括两部分内容: 1. 为计数器设置方式控制(命令)字 2. 为计数器设置计数初值,17,初始化程序流程(写入顺序),写控制字,写计数值低8位,第1种顺序：以计数器为单位，先写入控制字，再写入计数初值 第2种顺序：先为各个计数器写入控制字，再写入计数初值,当使用计数器的16位时,OUT DX, AL,写计数初值,写计数值高8位,例9.1,设8254的CLK0端接频率为2MHz脉冲信号(每隔0.5us来一个脉冲)，让计数器0每隔10ms产生一个负脉冲，问计数器0采用的工作方式，计数初值是多少？并写出计数器0的初始化程序。 解：方式2可以产生负脉冲信号 计数初值

9、=10ms/0.5us=20000，控制字=00110100B=34H D7D6=00选择计数器0 D5D4=11选择16位计数，因为计数初值20000256(28) D3D2D1=010选择工作方式2 D0=0选择二进制计数码制，因为十进制的最大计数值为10000，二进制的计数值为65536,初始化程序下页,例9.1 初始化程序,MOV DX,8254控制寄存器的地址 ;控制寄存器地址放DX中 MOV AL,34H ;计数器0的控制字34H放AL中 OUT DX,AL ;为计数器0写入控制字 MOV DX,计数器0的地址 ;计数器0的地址放DX MOV AX,20000 ;计数器0的计数初值

10、放AX OUT DX,AL ;向计数器0写入计数初值的低8位 MOV AL,AH ;AH(高8位)放AL(低8位) OUT DX,AL ;为计数器0写入计数初值的高8位,这里用文字代替实际地址,20,假设8254的CLK输入脉冲频率为18.432KHz，让8254产生周期为20s的方波。如何设计？ 解：20s=(2018432)18.432KHz=(2018432)18432Hz 计数初值=2018432=368640 1个计数器的最大计数值65536，需要组合2个计数器 即把2个计数器串联起来，达到计数值368640,连接图下页,例9.2,21,计数器0的输出信号OUT0连接计数器1的输入信

11、号CLK1 即计数器0的输出信号作为计数器1的输入信号,CLK0 GATE0 OUT0,D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 RD WR A0 A1 CS,8 9 7 11 6 10 5 4 15 3 14 2 13 1 22 18 23 16 19 17 20 24 21 12,输出周期为20s的方波信号,CLK2 GATE2 OUT2 VCC GND,CLK1 GATE1,OUT1,接频率18.432KHz脉冲信号,OUT0连接CLK1(串联),例9.2 连接图,例9.2 编程,MOV DX, 8254控制寄存器的地址 ;计数器控制寄存器的地址放DX寄存器中 MOV AL, 36

12、H ;计数器0的控制字36H(工作方式3)放AL中 OUT DX, AL ;为计数器0写入控制字 MOV AX, 20 ;计数器0的计数初值20放AX中 MOV DX, 计数器0的地址 ;计数器0的地址放DX中 OUT DX, AL ;为计数器0先写入计数初值的低字节 MOV AL, AH ;因为计数初值为20，所以AH=0 OUT DX, AL ;为计数器0后写入计数初值的高字节 MOV DX, 8254控制寄存器的地址 MOV AL, 76H ;计数器1的控制字76H(工作方式3)放AL中 OUT DX, AL ;为计数器0写入控制字 MOV AX, 18432 ;计数器1的计数初值放AX

13、 MOV DX, COUNT1 ;为计数器1写入计数初值 OUT DX, AL ;先写入低字节 MOV AL, AH OUT DX, AL ;后写入高字节,23,9.2 数模(D/A)转换芯片和模数(A/D)转换芯片,主要内容： D/A转换器的工作原理、指标、应用 A/D转换器的工作原理、指标、应用,24,典型的计算机自动控制系统,传感器,执行元件,A/D,D/A,输入接口,模拟量,数字量,计 算 机,生 产过程,输出接口,模拟量,数字量,A/D：将模拟信号转为数字量，以便输入给计算机 D/A：将计算机输出的数字信号转为模拟量，以便驱动执行器件,数字量,数字量,25,9.2.1 数/模转换接口

14、芯片,D/A变换器： 将数字信号(Digit)转换为模拟信号(Analog) 主要内容： D/A变换器的工作原理 D/A变换器的主要技术指标 D/A变换器的应用(有实验),26,1. D/A变换器的基本构成,模拟开关 电阻网络 运算放大器,权电阻网络 R-2R T形电阻网络,VREF,Rf,模拟开关 电阻网络,VO,数字量,模拟量,27,2. 基本变换原理,运算放大器的放大倍数足够大时，输出电压VO与输入电压VI关系为：,I=-I1 I=VI/R=-V0/ Rf,VI,Rf,VO,R,I1,I 电流,n个支路见下页,In,I2,I1,I 总电流,I1,n个输入端的变换原理,输出电压VO与输入电

15、压VI的关系： Vo=-IRf=(VI/R1+VI/R2+ +VI/Rn)Rf 若令每个支路输入电阻为2iR，且(Rf/R)VI=VREF，有: Vo=-VI(1/2R +1/22R+1/2nR)Rf =-VI(1/2 + 1/22+ + 1/2n)Rf/R Vo=-VREF(1/2 + 1/22+ + 1/2n) (VREF为基准电压),Rf,VO,VI,R1,Rn,In,I=-(I1+I2+In),权电阻网络(2R、4R等权电阻，电阻类型多),2R,VREF,Rf,S8 S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1,(这里n=8),8R,16R,256R,对应D8,对应D7,对应D1,4R,V

16、O,输出,由开关控制支路 输入数据为00000000B(00H)：S1S8 开关都断开 输入数据为11111111B(FFH)：8个开关都闭合 输入数据为00000001B(01H)：S1开关闭合 输入数据为00000010B(02H)：S2开关闭合,R-2R T 形电阻网络(只有R、2R两种电路，易制作),Vo=-VREF (S1/2 +S2/4+ +S8/256)=-D/256VREF (D为输入数据) 输入数据为00H：8个开关(S1S8)都断开，Vo=0 输入数据为FFH：8个开关都闭合，Vo=-255/256VREF 输入数据为01H：S1开关闭合， Vo=-1/256VREF 输入

17、端数据为02H：S2开关闭合， Vo=-2/256VREF,sn-1 s2 s1 s0,Dn-1 D2 D1 D0,R R R 2R,2R 2R 2R,2R,+,-,Rf,n-1 2 1 0,.,VREF Vn-1 V2 V1 V0,VO,VI,31,3. 主要技术指标(不要求),分辨率(Resolution) D/A转换对数字输入量变化敏感程度的度量 表示方法： 可用输入数字量的位数表示: 如8位、10位 等。 也可表示为输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟信号的变化量 Vmax/(2n-1) (n为转换器的位数，Vmax为满量程电压),32,分辩率计算,已知:D/A满量程为5V，二进制位

18、数为10位 计算:分辩率(计算输入1 LSB变化使输出的变化程度) 答： Vmax/(2n-1) =5V/(210-1) = 5V/1023 = 0.04888V = 48.88mV,33,转换精度(误差),实际输出值与理论值之间的最大偏差 可用最小量化阶来度量：=1/2 LSB 可用满量程的百分比度量：如 0.05% FSR (FSRFull Scale Range) 注意：分辨率高，不等于转换精度高,34,转换时间,从开始转换到与满量程值相差1/2 LSB对应的模拟量所需要的时间。,t,V,1/2 LSB,tC,VFULL,35,9.2.2 模/数转换接口芯片,能将模拟信号(Analog)

19、转换为数字信号(Digit) 是模拟系统与计算机之间的接口部件。简称ADC 将连续变化的模拟信号在某个时刻的瞬时值转换为数字信号,采样频率：每秒采样模拟信号的次数 量化精度：用多少二进制位存储采样得到的数据,36,D/A转换器的应用DAC0832,是一种D/A变换器 特点： 8位电流输出型D/A转换器 采用R-2R T形电阻网络 差动输出,37,主要引线功能,D7D0：输入数据线 ILE：输入锁存允许 CS：片选信号 WR1：写输入锁存器,接下页,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,20,19,18,17,16,15,14,13,12,11,V,CC,ILE,WR,2,XFER,D,4,D,5,D,6,D,7,I,OUT2,I,OUT1,CS,WR,1,AGND,D,3,D,2,D,1,D,0,V,REF,R,fb,DGND,DAC0832,38,主要引线功能,WR2：写DAC寄存器的控制线 XFER：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器 VREF：参考电压。-10V+10V，一般为+5V或+10V IOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出。做运算放大器的输入 Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出 AGND、DGND：模拟地和数字地,39,工作模式,单缓冲模式：占用1个端口地址(要求掌握) 双