第10章-其他常用电路

第10章其他常用电路

本章系统地介绍一些常用电路的基本工作原理及应用。首先介绍广泛使用的555定时器和用它构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器的方法。然后介绍A/D、D/A转换原理及典型集成芯片的使用。

知识目标理解555定时器的工作原理及典型应用。掌握单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器的概念。掌握D/A与A/D转换器的概念、指标。了解D/A与A/D转换器的电路工作原理及应用。

技能目标能用555定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器。掌握D/A与A/D转换器的使用常识。

10.1555集成电路及应用555集成定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，它具有使用灵活、适用范围宽的特点，只需外接少量几个阻容元件就可以组成各种不同用途的脉冲电路，如多谐振荡器、单稳态电路和施密特触发器等。除此之外，555集成定时器在测量与控制、仪器仪表、声响报警、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。

图10.1所示为555集成定时器应用的示意图—贵重物品防盗报警器。图10.1555集成定时器应用示意图—贵重物品防盗报警器555集成定时器产品型号繁多，但所有双极性产品型号最后的3位数码都是555，所有CMOS产品最后的4位数码都是7555，而且它们的外部引脚排列和功能都相同。10.1.1555集成电路的组成及功能1．电路结构555集成电路又称为555定时器，实物图如图10.2（a）所示，引脚排列如图10.2（b）所示，其内部结构如图10.2（c）所示。555定时器一般由分压器、比较器（C1和C2）、基本RS触发器和放电开关（VT）4部分组成。（a）实物图（b）引脚排列（c）内部结构图

图10.2555定时器2．基本功能555定时器的基本功能如表10.1所示。阈值输入端TH触发输入端

OUTVT0××0导通10导通1保持原状态不变保持原状态不变11截止11截止表10.1 555定时器功能表10.1.2单稳态触发器

单稳态触发电路有稳态和暂态两种工作状态，而且只有在外界触发脉冲的作用下，才能从稳态翻转到暂态，在暂态维持一段时间以后，自动回到稳态。

暂态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲信号无关。

由于单稳态触发电路具有这些特点，它被广泛应用于整形、延时、定时等电路。下面介绍用555定时器构成的单稳态触发器。1．电路结构

单稳态触发器的电路结构如图10.3（a）所示。（a）电路图

（b）波形图

图10.3单稳态触发器2．工作原理

按图10.3（a）所示连接电路。在输入端（2脚）加上脉冲波，用示波器观察输出端（3脚）及电容C上的电压波形。（建议采用仿真课件演示）实验现象

在输入端（2脚）加上脉冲波后，通过示波器看到输出端（3脚）及电容C上的电压波形如图10.2（b）所示。知识探究

从波形图中可以看到两种状态。稳态：无触发脉冲信号输入时，电路处于稳态，555定时器输出低电平，电容C两端电压为近似为零。暂态：当ui输入一个触发脉冲信号（短暂的低电平）时，555定时器输出变为高电平，电容C开始充电，电路进入暂态；当电容充电使其两端电压上升到uC≥

时，555定时器输出变为低电平，电容C开始放电，直至近似为零，暂态结束。

如果没有触发脉冲信号的到来，电路始终处于稳态，555定时器输出低电平。

暂、稳状态持续的时间又称为输出脉冲宽度，用tw表示。它由电路中电容C两端的电压来决定，可以推导出 tw≈1.1RCtw与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳定状态以后，tw时间内的其他触发脉冲对触发器就不起作用；只有当触发器处于稳定状态时，输入的触发脉冲才起作用。10.1.3多谐振荡器

多谐振荡器具有两个暂稳态，它不需外加触发信号，就可在两个暂稳态之间自动转换，产生一定频率和一定带宽的矩形脉冲。

多谐振荡器经常用作脉冲信号发生器。下面介绍用555定时器构成的多谐振荡器。1．电路的结构

由555定时器构成的多谐振荡器的电路结构如图10.5（a）所示。图10.5555定时器构成的多谐振荡器2．多谐振荡器的工作原理

按图10.5（a）所示连接电路。用示波器观察输出端（3脚）的电压波形。（建议采用仿真课件演示）实验现象

通过示波器看到输出端（3脚）的电压波形如图10.5（b）所示。10.1.4施密特触发器

施密特触发器是一种应用广泛的波形变换及整形电路，它有两个特点。

第一，对于输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同，即具有不同的阈值电压，说明电路有滞回电压传输特性，如图10.6所示。图10.6施密特触发器的电压传输特性

图中UT+是高电平阈值电压，UT−是低电平阈值电压。

而

UT=UT+−UT−称回差电压。回差电压越大，施密特触发器的抗干扰性越强，但施密特触发器的灵敏度也会相应降低。

第二，电路状态转换时，输出电压变化很快，具有陡峭的跳变沿。

利用这两个特性，施密特触发器可以将输入变化缓慢的波形变换为边沿陡峭的矩形波，或把叠加在矩形波上的干扰或噪声消除掉。1．电路结构

将555电路的阈值输入端6和低触发输入端2连在一起，即可构成施密特触发器，如图10.7（a）所示。（a）电路图

（b）波形图

图10.7施密特触发器2．工作原理

按图10.7（a）所示连接电路。在输入端（2脚和6脚）加上正弦波，用示波器观察输出端（3脚）的电压波形。（建议采用仿真课件演示）实验现象

在输入端（2脚和6脚）加上脉冲波后，通过示波器看到输出端（3脚）的电压波形如图10.7（b）所示。10.2模/数与数/模转换电路

随着微电子技术的高速发展，通信、网络、控制系统、检测系统等都用数字电路处理模拟信号的情况越来越普遍了。为了能够使用数字电路，必须将模拟信号变换成数字信号才能实现数字的传输与处理。

将模拟信号（如声音信号、温度等）转换成数字信号的过程称为模/数转换，简称A/D转换。

完成A/D转换的电路称为模/数转换器，简称ADC。

在接收端，需将数字信号恢复成原来的模拟信号（如音响设备、耳机、电话等所得到的声音都是模拟信号）。

把数字量转换成模拟量的过程叫做数/模转换，简称D/A转换。

完成D/A转换的电路称为数/模转换器，简称DAC。

图10.9所示为A/D、D/A转换应用示意图。图10.9A/D、D/A转换示意图

10.2.1D/A转换器1．D/A转换器的基本原理DAC用于将输入的二进制数字量转换为与该数字量成比例的电压或电流。其组成框图如图10.13所示。

图10.10所示为D/A转换器的输入、输出关系框图，D0～Dn

1是输入的n位二进制数，Uo是与输入二进制数成比例的输出电压。图10.10DAC方框图

图中，数据锁存器用来暂时存放输入的数字量，这些数字量控制模拟电子开关，将参考电压源VREF按位切换到电阻译码网络中获得相应数位权值，然后送入求和运算放大器，输出相应的模拟电压，完成D/A转换过程。

能实现D/A转换的电路很多，常见的有权电阻网络型、倒T电阻网络型、权电流型、权电容型、开关树型等几种类型。能实现D/A转换的电路很多，当前主要采用三种：权电阻网络型、倒T电阻网络型和权电流型。

这里只介绍倒T电阻网络D/A转换器。随着集成技术的发展，中规模的D/A转换集成块相继出现，它们将转换的电阻网络和受数码控制的电子开关都集成在同一芯片上，所以应用起来很方便。

目前，常用的芯片型号很多，有8位、10位、12位、18位的转换器等，这里介绍8位权电流型D/A转换器DAC0808。（1）DAC0808的引脚功能DAC0808的引脚排列图如图10.11所示。

其中D7～D0为8位数字输入端，D7为最高位，D0为最低位。IO是求和电流输出端。+VREF和

VREF接基准电流发生电路中运算放大器的反相输入端和同相输入端。

COMP供外接补偿电容之用。VCC和VEE为正、负电源输入端，分别为+5V和15V。（2）DAC0808的典型应用DAC0808这类器件在构成D/A转换器时需要外接运算放大器和产生基准电流用的RR，如图10.12所示。图10.11DAC0808的引脚排列图图10.12DAC0808的典型应用

按图10.12所示连接电路。其中D7～D0为逻辑开关K7～K0。将逻辑开关K7～K0按表10.2置位，用万用表直流挡测量输出电压的值，并记录结果。（建议采用仿真课件演示）知识探究

从表10.2中可见，在VREF=10V、R1=5kΩ、Rf=5kΩ的情况下，当输入的数字量在全0和全1之间变化时，输出模拟电压的变化范围为0～9.96V，即输出电压为2．D/A转换器的主要技术指标（1）转换精度①分辨率。分辨率是指D/A转换器最小输出电压（对应的输入数字量仅最低位为1）与最大输出电压（对应的输入数字量各有效位全为1）之比，其值越小，分辨能力越强。对于一个n位的D/A转换器，分辨率可表示为

分辨率=

②转换误差。转换误差是指DAC实际输出模拟电压值与理论输出模拟电压值之差。显然，这个差值越小，电路的转换精度越高。它不仅与D/A转换器中的元件参数的精度有关，而且还与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。所以要获得较高精度的D/A转换结果，除了正确选用D/A转换器的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。（2）转换速度

转换速度是指DAC从输入数字信号开始到输出模拟电压或电流达到稳定值时所用的时间。

它是反映D/A转换器工作速度的指标，转换时间越小，工作速度越高。10.2.2A/D转换器模拟信号（如声音信号）转换成数字信号，可以提高电路对噪声的抗干扰能力和声音的传输质量。此外，数字信号还比较容易补偿和修正。1．A/D转换的基本原理A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，图10.13所示为A/D转换器的输入、输出关系框图。

转换过程通常包括取样、保持、量化和编码4个过程。

首先是对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。

然后再进行下一次取样。这4步并不是分别完成，而是取样和保持一次完成，量化和编码一次完成，如图10.14所示。图10.13ADC框图图10.14模拟量到数字量的转换过程ADC可分为直接ADC和间接ADC两大类。在直接ADC中，输入模拟信号直接被转换成相应的数字信号。

常用的电路有并联比较型ADC和反馈比较型两类，其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。

而在间接ADC中，输入模拟信号先被转换成某种中间变量（如时间、频率等），然后再将中间变量转换为最后的数字量，如双积分型ADC、单次积分型ADC等，其特点是抗干扰性强，转换精度高，但工作速度较低，一般在测试仪表中用得较多。下面主要介绍逐次逼近型ADC。

集成A/D转换器件是计算机接口电路及数字电路的重要组成部分。

其芯片种类很多，转换精度有8位、10位、12位、16位、18位等，下面介绍ADC0809芯片。（1）ADC0809的引脚功能ADC0809是一种逐次逼近型A/D转换器，它是采用CMOS工艺制成的8位八通道单片A/D转换器，转换时间最快可达10

s，适用于分辨率较高而转换速度适中的场合。

ADC0809的引脚排列图如图10.15所示。图10.15ADC0809的实物图和引脚排列图

图10.16ADC0809应用（2）ADC0809典型应用ADC0809可以与微机系统连接，也可单独使用，图10.16所示为ADC0809单独使用的例子。

按图10.16所示连接电路。其中D7～D0分别接8个发光二极管，CP接函数发生器，使其输出500kHz方波，地址码A2～A0接逻辑开关K2～K0，并将逻辑开关置成000。ALE、START接单次脉冲。

UI接可调直流电压源，并按表10.3中的输入电压值调节，观察发光二极管D7～D0的状态，并记录数据。（建议采用仿真课件演示）实验现象

接通电源后，测试记录的结果如表10.3所示。输入模拟量输出数字量UI/VD7D6D5D4D3D2D1D001.02.03.04.05.0000000000011001101100110100110011100110011111111表10.3 ADC0809数据记录知识探究

地址码A2～A0为000，选通了IN0路输入模拟电压UI，输入范围为0～5V。

从表10.3中可见，不同的模拟量转变成了与之对应的数字量。2．ADC的主要技术指标（1）分辨率ADC的分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力，即ADC输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量，常以输出二进制数码的位数n来表示。位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。

分辨率

=式中，FSR是输入的满量程模拟电压。

（2）转换速度

转换速度是指ADC完成一次转换所需要的时间，即从接到模拟信号开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。

转换时间越短，说明转换速度越高。

并行ADC速度最快，约为数十纳秒；逐次逼近型ADC速度次之，约为数十微秒，最高可达0.4

s；双积分型ADC速度最慢，约为数十毫秒。10.3实例综合分析——数字钟10.3.1电路组成数字钟的电路原理如图10.17所示，它主要由振荡器、分频器、时计数器、分计数器、秒计数器、译码显示电路和校时电路组成。图10.17数字钟电路原理图

1．振荡器

振荡器是数字钟的核心，电路中选用了555定时器与RC来构成多谐振荡器电路，振荡频率为103Hz。2．分频器

分频器的功能是产生标准脉冲信号。

它由三片集成计数器74LS90级联完成其功能。每片74LS90均接成十分频器，三片74LS90级联后，当输入为103Hz脉冲信号时，经过分频器可获得1Hz的标准秒脉冲。3．时、分、秒计数器

分和秒计数器均为六十进制计数器，选用了集成计数器74LS92作十位的计数器，将74LS92的QA与B端相连，计数脉冲从A端输入，则74LS92的QC、QB、QA的输出为六进制计数器。

集成计数器74LS90作个位的计数器，其QC、QB、QA的输出为六进制计数器。两片计数器进行级联组成了六十进制计数器。

时计数器为十二进制计数器，选用了同步二进制可逆计数器74LS191和双D触发器74LS74。74LS191作时个位计数器，有0～9十个状态，当74LS191的QD、QC、QB、QA输出为1010时，与非门输出低电平加到74LS191的LD端，QD、QC、QB、QA输出均被置0，与非门输出还作为进位脉冲加至D触发器74LS74的CP端。因时计数器的十位只有0和1两种状态，所以十位上选用的是双D触发器74LS74。4．译码显示电路

译码显示电路的作用是将时、分、秒计数器输出的4位二进制代码翻译并显示出相对应十进制数的状态。

电路中选用了74LS48及共阴极数码管BS202构成译码显示电路。5．校时电路

当数字钟接通电源或者出现误差时，均需要校正时间。校时电路只有分和小时的校正。

通常对校时电路的要求是：在进行小时校正时不影响分和秒的正常计数，同理，在进行分校正时不影响秒的正常计数。

数字钟校正电路采用的是“快校时”方式，通过对校时开关S1或校分开关S2的控制，使校时脉冲进入校时电路或校分电路时，计数器对校时脉冲进行计数，当计到需要校正的时间后，再使计数器转入正常的计数状态。

校时开关的功能为S2S1=11，计数；S2S1=10，校分；S2S1=01，校时。10.3.2电路工作原理简介电路接通电源后，振荡器开始工作，产生稳定的高频信号103Hz，作为数字钟的时间基准。

经三片74LS90构成的分频器分频后，输出数字钟所需的1Hz