电子技术基础（第五版）课件 苏莉萍 第13、14章 脉冲产生电路和定时电路、模数和数模转换

课题十三脉冲产生电路和定时电路13.1基本概念13.2555集成定时器电路13.3定时器的应用课题小结

13.1基本概念

13.1.1几种常见的脉冲信号波形

“脉冲”从字面可理解到脉动和短促的意思。我们所讨论的脉冲信号是指在短暂时间间隔内作用于电路的电压或电流。从广义来说，各种非正弦信号统称为脉冲信号。脉冲信号的波形多种多样，图13.1给出了几种常见的脉冲信号波形。图13.1几种常见的脉冲信号波形

13.1.2脉冲信号波形参数

为了表征脉冲波形的特性，以便对它进行分析，我们仅以矩形脉冲波形为例，介绍脉冲波形的参数。如图13.2所示的矩形脉冲波形，可用以下几个主要参数表示：

(1)脉冲幅度Um

——脉冲电压的最大变化幅度；

(2)脉冲宽度tw——从脉冲前沿0.5Um至脉冲后沿0.5Um的时间间隔；

(3)上升时间tr——脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需要的时间；

(4)下降时间tf——脉冲后沿从0.9Um下降到0.1Um所需要的时间；

(5)脉冲周期T——周期性重复的脉冲中，两个相邻脉冲上相对应点之间的时间间隔。有时也用脉冲重复频率f=1/T表示，f表示单位时间内脉冲重复变化的次数。

13.2555集成定时器电路

13.2.1电路组成图13.3所示为CC7555的电路和外引线排列图。由图13.3(a)可以看出，电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、MOS管构成的放电开关和输出驱动电路等几部分组成。13.3CC7555集成定时电路

1.电阻分压器

电阻分压器由3个阻值相同的电阻串联构成。它为两个比较器A1和A2提供基准电平。如引脚5悬空，则比较器A1的基准电平为2/3UDD，比较器A2的基准电平为1/3UDD。如

果在引脚5外接电压，则可改变两个比较器A1和A2的基准电平。当引脚5不外接电压时，通常接0.01μF的电容，再接地，以抑制干扰，起稳定电阻上的分压比的作用。

2.电压比较器

3.基本RS触发器

基本RS触发器由两个或非门组成，它的状态由两个比较器的输出控制。根据基本RS触发器的工作原理，就可以决定触发器输出端的状态。

4.放电开关管和输出缓冲级

13.2.2工作原理及特点

综上所述，可以列出CC7555集成定时器的功能表，如表13.2所示。CC7555定时器是一种功能强、电路简单、使用十分灵活、便于调节的电路，具有功耗低、电源电压范围宽(3~18V)、输入阻抗极高、定时元件的选择范围大等特点，但输出电流(在4mA以下)比双极型定时器(如5G555)小(最大负载电流200mA)。

13.3定时器的应用

13.3.1单稳态触发器单稳态触发器是一种只有一个稳定状态的电路，它的另一个状态是暂稳态。在外加触发脉冲作用下，电路能够从稳定状态翻转到暂稳状态，经过一段时间后，靠电路自身的作用，将自动返回到稳定状态，并在输出端获得一个脉冲宽度为tw的矩形波。在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw就是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路自身的参数，而与触发脉冲无关。

图13.4CC7555构成的单稳态触发器

2.工作原理

1)电路的稳态

2)在外加触发信号作用下，电路从稳态翻转到暂稳态

3)自动返回过程

4)恢复过程

3.输出脉冲宽度tw

4.单稳态触发器的应用

单稳态触发器是常见的脉冲基本单元电路之一，它被广泛地用作脉冲的定时和延时。

1)脉冲的定时

由于单稳态触发器能产生一定宽度(tw)的矩形输出脉冲，利用这个矩形脉冲去控制某电路，使它在tw时间内动作(或不动作)，这就是脉冲的定时。如图13.5(a)所示是利用输出宽度为tw的矩形脉冲作为与门输入信号之一，只有在tw时间内，与门才开门，信号A才能通过与门，工作波形如图13.5(b)所示。图13.5单稳态电路的定时作用

2)脉冲的延时

图13.6(a)所示电路利用单稳态电路的输出uo作为其他电路的触发信号。由图13.6(b)可见，uo

的下降沿比输入触发信号ui的下降沿延迟了tw。因此，利用uo下降沿去触发其他电路(例如JK触发器)，比用ui下降沿触发时延迟了tw，这就是单稳态电路的延时作用。图13.6单稳态电路的延时作用

13.3.2多谐振荡器

在数字电路中，常常需要一种不需外加触发脉冲就能够产生具有一定频率和幅度的矩形波的电路。由于矩形波中除基波外，还含有丰富的高次谐波成分，因此我们称这种电路为多谐振荡器。它常常用作脉冲信号源和电子自动开关等。

多谐振荡器没有稳态，只具有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，其主要参数是振荡周期T。

图13.7CC7555构成的多谐振荡器

2.工作原理

3.电路振荡周期T

对于图13.7所示的多谐振荡器电路，由于电容充、放电途径不同，因而C的充电和放电时间常数不同，使输出脉冲的宽度t1和t2也不同。在实际应用中，常常需要调节t1和t2。在此，引进占空比的概念。输出脉冲的占空比为

图13.7

将图13.7所示电路稍加改动，就可得到占空比可调的多谐振荡器，如图13.8所示。在图13.8中加了电位器Rp，并利用二极管VD1和VD2将电容C的充电回路分开，充电回路为R1、VD1和C，放电回路为C、VD2和R2。该电路的振荡周期为

13.3.3施密特触发器

施密特触发器是数字系统中常用的电路之一，它可以把变化缓慢的脉冲波形变换成为数字电路所需要的矩形脉冲。

施密特电路的特点在于它也有两个稳定状态，但与一般触发器的区别在于这两个稳定状态的转换需要外加触发信号，而且稳定状态的维持也要依赖于外加触发信号，因此它的触发方式是电平触发。

图13.9CC7555构成的施密特触发器

2.工作原理

3.施密特触发器的应用

施密特触发器的用途十分广泛，它主要用于波形变化、脉冲波形的整形及脉冲幅度鉴别等。

1)波形变换

将变化缓慢的非矩形波变换为矩形波，如图13.10所示。图13.10波形变换

2)脉冲整形

将一个不规则的或者在信号传送过程中受到干扰而变坏的波形经过施密特电路，可以得到良好的波形，这就是施密特电路的整形功能，如图13.11所示。图13.11波形的整形

3)脉冲幅度鉴别

利用施密特电路，可以从输入幅度不等的一串脉冲中，去掉幅度较小的脉冲，保留幅度超过UT+的脉冲，这就是幅度鉴别，如图13.12所示．图13.12脉冲幅度鉴别图13.12脉冲幅度鉴别

课题小结

本课题首先介绍了常见的脉冲波形和主要参数，然后介绍了中规模集成电路CC7555定时器的电路组成、功能和应用。555定时器是一种使用方便、功能灵活多样的集成器件，它的应用十分广泛，只需外接几个阻容元件就可以构成各种不同用途的脉冲电路。

多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，属于自激的脉冲振荡电路，它不需要外界的触发信号就可以自动产生具有一定频率和幅度的矩形脉冲。多谐振荡器主要用作脉冲信号源和电子自动开关等。

单稳态触发器只有一个稳态，在外加触发信号的作用下，可以从稳态翻转为暂稳态。依靠电路自身定时元件的充、放电作用，经过一段时间，自动返回稳态。暂稳态持续时间的长短取决于定时元件R、C的数值。它可用于脉冲的定时、延时和整形等

施密特触发器的特点是具有两个稳态，状态的翻转与维持受输入信号的电位控制，所以它的输出脉宽是由输入信号电位决定的，同时还具有滞后特性。由于施密特触发器可将变化缓慢的脉冲波形转变成矩形脉冲，故常利用它进行脉冲波形变换、整形和幅度鉴别等。课题十四模/数和数/模转换14.1D/A转换14.2A/D转换课题小结

14.1D/A转换

14.1.1转换电路

1.权电阻D/A转换电路

权电阻D/A转换网络的原理电路如图14.1所示。集成运放反相输入端为“虚地”，每个开关可以切换到两个不同的位置，切换到哪个位置由相应位的数字量控制。当数字量为“1”时，开关接ER；当数字量为“0”时，开关接地。图14.1权电阻D/A转换网络

当输入二进制数码中某一位Bi=1时，开关Si

接至基准电压ER，这时在相应的电阻Ri支路上产生电流为

当Bi=0时，开关Si

接地，电流Ii=0。

因此，第i路的电流为

总的输出电流为

输出电压为

2.R-2RT型D/A转换电路

图14.2是R-2RT型D/A转换电路的原理电路。与权电阻D/A转换电路一样，二进制码Bi控制着开关Si的位置。Bi为1，Si

接ER；Bi

为0，Si

接地。图14.2R-2RT型D/A转换电路

集成运放反相输入端为“虚地”。因此，从两端的T型节点开始，向中间逐节点推算，很容易得到：当Bi=1，其余位均为0时，从节点i向左向右看的电阻都是2R，这样，从开关Si经2R支路流进节点的电流等分后分别向左向右流出，其等效电路如图14.3所示。图14.3某模拟开关接ER，其他开关接地时的等效电路

二进制码最高位对集成运放输入端方向的电流为

其他各位产生的电流逐位减小一半，依次为

二进制码控制的各开关对集成运放输入端产生的总电流为

输出电压为

这种电路中电阻阻值只有R和2R两种，精度易于保证，且流过各模拟开关的电流均相同，所以给设计和制作带来方便，故集成D/A电路中多采用这种电路形式。

3.倒置T型D/A转换电路

R-2RT型D/A转换电路中，数字信号各位的传输时间不同，因而输出端会产生尖峰效应。倒置T型D/A转换电路可以克服这种缺点，其原理图如图14.4所示。

集成运放反相输入端为“虚地”，所以，不论开关切换到哪个位置，2R上端都接了0电位。这样，从电阻网络左端开始，用串并联方法可以得到从ER看进去对地的等效电阻为R。这样，从参考电源ER流进电阻网络的电流为I=ER/R。图14.4倒置T型D/A转换电路

用与分析R-2RT型D/A转换电路的方法类似的方法可知，每经过一个节点，经过电阻向上流的电流减小一半，正好反映了二进制各位码应满足的位权关系。因此，可直接写出

该电路工作时，在前一组二进制码切换到后一组二进制码时，各位码对应的电流同时到达集成运放输入端，因而不会产生尖峰效应。

14.1.2集成D/A转换器

DAC0832方框图及引脚排列图如图14.5所示。芯片内含有一个八位D/A转换电路，由倒T型电阻网络和电子开关组成。还包括一个八位的输入寄存器和一个八位的DAC寄

存器。当DAC寄存器中的数字信号在进行D/A转换时，下一组数字信号可存入输入寄存器，这样可提高转换速度。芯片外接集成运放，将转换成的模拟电流信号放大后转变成电压信号输出。图14.5DAC0832原理框图和引脚排列图

各引脚功能简要说明如下：

(1)D0~D7：八位数字数据输入，D7为最高位，D0为最低位。

(2)Iout1：模拟电流输出端。

(3)Iout2：模拟电流输出端，接地。

(4)Rf：若外接的集成运放电路增益小，则在该引出端与集成运放输出端之间加接电阻；若外接的集成运放电路增益足够大，则不必外接电阻，直接将该引出端与运放输出端相连。

(5)Uref：基准参考电压端，在+10V~-10V之间选择。

14.1.3D/A转换电路的主要技术指标

D/A转换电路的主要技术指标有如下几个。

(1)分辨率：指模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。

(2)转换精度：是指实际输出模拟电压与理论输出模拟电压的最大误差。

(3)转换时间：指从输入数字信号开始转换到输出的模拟电压达到稳定值时所需要的时间

14.2A/D转换

14.2.1转换步骤1.抽样保持抽样就是对模拟信号在有限个时间点上抽取样值。图14.6示出了A/D转换电路框图。图14.6A/D转换电路框图

对图14.6所示的这种保持电路来说，模拟信号源内阻及模拟开关的接通电阻应很小，它们与电容C组成的电路的时间常数应非常小，以保证在模拟开关闭合期间，电容C上的电压能跟踪抽样值变化。

保持电容后面接着由集成运放组成的跟随器。这种跟随器的输入阻抗极大，电容上保持的电压经该阻抗的放电极少，不会造成影响。

图14.7示出了从抽样到保持的信号波形。t0、t1、…、t8时间点上的竖直线表示在该时刻的抽样值，而阶梯波表示抽样值经保持电路展宽以后的波形。图14.7保持电路输出波形

可以看出，当抽样频率足够高的时候，保持电路输出的阶梯波就逼近原模拟信号。事实上，由数字信号恢复成模拟信号的时候，就是根据数字信号还原出这种形状逼近原模拟信号的阶梯波的。

为了使还原出来的模拟信号不失真，对抽样频率fs的要求为

式中，fmax是被抽样的模拟信号所包含的信号中频率最高的信号的频率。

2.量化编码

抽样保持电路得到的阶梯波的幅值有无限多个值，无法用位数有限的数字信号完全表达。我们可以选定一个基本单元电平，将其称为基本量化单位。用基本量化单位对抽样值

进行度量，如果在度量了n次后，还剩下不足一个基本量化单位的部分，就根据一定的规则，把剩余部分归并到第n或第n+1个量化电平上去。这样，所有的抽样值都是有限个离散值集合之一。像这样将抽样值取整归并的方式及过程就叫“量化”。将量化后的有限个整值编成对应的数字信号的过程叫“编码”。

14.2.2A/D转换电路

1.逐次逼近式A/D转换电路

图14.8是三位逐次逼近型A/D转换电路。图14.8三位逐次逼近型A/D转换电路

例14.2设输入模拟信号uA的满量程值为12V，用三位二进制编码，码值QAQBQC与uA之间的对应关系如表14.1所示。

2.双积分型A/D电路

双积分型A/D转换器原理电路如图14.9所示，由积分器、比较器、二进制计数器及逻辑控制电路组成。所谓双积分，是指积分器要用两个极性不同的电源进行两个不同方向的

积分。波形图如图14.10所示。图14.9双积分型A/D转换器原理框图图14.10双积分A/D转换电路的工作波形

3.集成A/D转换电路

集成A/D转换电路有很多种，下面以ADC0809为例进行介绍。

ADC0809内部基本电路是逐次逼近型A/D转换电路，其原理框图及芯片引脚排列图如图14.11(a)、(b)所示。图14.11ADC0809原理框图和引脚图

各主要引脚功能简述如下：

(1)IN0~IN7：8路模拟信号输入端。

(2)A2、A1、A0：8路模拟信号的地址码输入端。

(3)D0~D7：转换后输出的数字信号。

(4)START：启动端。START下降沿时，A/D转换开始进行。其负脉冲宽度应不小于100ns，以保证逐位编码的八位码有足够的时间彻底编好。

(5)ALE：通道地址锁存信号输入端。在ALE的上升沿锁存地址输入A2A1A0，正脉冲宽度持续时间应不小于100n