数字逻辑第7章C常用中规模信号产生与变换电路

1、7.3 常用中规模信号产生与变换电路,555定时器是一种将模拟和数字功能结合在一起的中 规模集成电路。 应用广泛，加上适当的阻容元件即可构成多谐振荡 器、施密特触发器和单稳态触发器等电路，完成脉冲信 号的产生、定时和整形等功能。在控制、定时、检测、 仿声和报警等方面有着广泛的应用。 常用集成定时器 555 有 5G555 (TTL)和CC7555 (CMOS)。 以5G555为例：,7.3.1 555定时器及其应用,一、电路结构与逻辑功能,1. 电路组成 分压器、比较器、基本RS触发器、放电三极管和输出缓冲器组成。,（1）分压器： 由三个阻值为5k的 电阻组成。 当CO无外加电源时， 为比较器

2、提供参考电 压； 当CO有外加电源时， 参考电压等参数将发生 改变。因此，为防止 干扰，不外加电源时， 通过小电容接地。,（2）电压比较器： C1和C2。 电压比较器的功能： v+ v-，vO=1 v+ VR1时，R=0 C2的反相端接VR2，同 相端接 。 当 时，S=0 当 时，S=1,（3）基本RS触发器： 与非门构成、低电平 触发，R、S由比较器 的输出控制； 控制放 电三极管T的导通和截 止。 当 时，vO=0， 定时器直接复位。,（4）放电三极管T 构成泄放电路，集电极为输出D。如将D通过电阻接至电源可构成反相器。 Q=0，T导通，D=0 Q=1，T截止，D=1,（5）输出缓冲器G

3、3 提高负载能力，并隔离负载对定时器的影响。,2. 电路功能,当CO无外接电源时，,电路组成及工作原理,二、定时器应用举例,1、由555构成多谐振荡器（矩形波发生器）,有两个暂稳态，电路起振后，在两个稳态间变化，输出矩形波。,分析过程： 电路刚开始工作时，由于电容电压不能突变，vC=0。T截止，VCC通过R1和R2对电容充电，vO=1。 继续充电 T导通，vC通过R2和T放电。Vo=0,振荡频率的估算,（1）电容充电时间T1：,（2） 电容放电时间T2,（3）电容振荡周期 T T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C,（5）输出波形占空比q,（4）电路振荡频率f,占空比可调的多谐振荡器电路,利

4、用半导体二极管的单向导电特性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。,可计算得： T1=0.7R1C T2=0.7R2C 占空比：,2、555构成施密特触发器（带有滞后功能的反相器）,一种特殊的双稳态时序电路。 具有以下两个特点： 1）电平触发，且适用于缓慢变化的信号。只要输入信号达到相应的触发电平，状态就发生改变。 2）回差电压特性，即对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值。能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。,VT+,回差电压：VT= VT+-VT-,电路组成及工作原理,回差电压：,5脚加电压时，回差变化,施密特触发器的应

5、用：,波形变换、脉冲整形、幅值鉴别。,波形变换： 将三角波、正弦波或任意模拟波形变换成矩形波。,脉冲整形： 将边沿变坏或叠加干扰等畸变信号变成规则波形。,幅值鉴别： 将幅值大于VT+的脉冲鉴别出来并输出相应的脉冲信号。,3、 用555定时器组成单稳态触发器,电路组成及工作原理,（1）无触发信号输入(vI=1) 时电路工作在稳定状态（vO=0 ）。 设电路输出vO=1。 刚接通电源时， vC=0， R=1； ，S=1保持不变 vO保持高电平。T截止， VCC通过R向电容C充电。 当 ，R=0，则vO=0。 T饱和导通，vC通过T迅速放 电至 vC0，此时 R=1，S=1，则vO保持低电平。,（2

6、）vI下降沿触发，电路进入暂稳态。 当vI下降沿到达时， ，S=0，则 vO=1，电路进入暂稳态。T截止，VCC 通过 R 对 C 充电。,（3）暂稳态的维持时间 在暂稳态期间，三极管T截止，VCC经R向C充电。时间常数1=RC，vC由0V开始增大。 时，电路保持暂稳态不变。,（4）自动返回（暂稳态结束）时间 暂稳态期间，触发脉冲撤消，即 ，S=1； 当 ，R=0，则vO=0， T饱和导通，vC通过T迅速放电至vC0，此时 R=1，S=1， 则vO保持低电平。 暂稳态结束，自动返回稳态。,（5）恢复过程 当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的放电三极管 T放电，电容C放电完毕，恢复过程结束。,脉

7、冲宽度的计算和调整,暂稳态持续时间即为输出脉冲宽度 tW。与充电回路有关，由充电回路的时间常数 RC 决定。 近似计算公式为：,可见调整R、C的取值即可改变脉冲宽度。,单稳态电路的应用,整形、定时和延迟。,7.3.2 集成D/A转换器,模/数转换器（Digital to Analog Converter ，DAC）,对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字/模拟转换。,一 D/A转换器的基本原理,电路组成：,转换特性：,输入数字量与输出模拟量之间的对应关系，理想情况下成正比。,设输入数字量为D=Dn-1D1D

8、0，输出模拟量用A表示， 则,K转换比例系数,设输出模拟量满刻度值为 Am表示，则当数字量为001，即只有最低有效位 (LSB) 为1，其余各位为0时，电路输出最小模拟量,推广到 n 位，电路输出最小模拟量,二、D/A转换器的类型和参数,1、 D/A转换器的类型,D/A转换器都包括电阻解码网络和电子开关。,电阻解码网络,权电阻网络D/A转换器 R-2R正梯形电阻网络D/A转换器 R-2R倒梯形电阻网络D/A转换器,电子开关,CMOS电子开关D/A转换器 TTL电子开关D/A转换器（速度较快）,输出模拟信号类型,电压型D/A转换器 电流型D/A转换器,随着集成电路技术的发展，D/A转换器能与微处

9、理器完全兼容、具有输入数据锁存功能，进一步又出现了带有参考电压源和输出放大器的D/A转换器。,倒T形电阻网络D/A转换器（4位）,2、D/A转换器的主要技术指标,（1）分辨率D/A转换器的最小输出模拟量与最大输出模拟量的比值。,（2）非线性误差在满刻度范围内偏离理想转换特性的最大值。理想情况：相邻数字量对应的模拟量之差都为ALSB。,（3）绝对精度在满刻度数字量输出的实际值与理想值之差。一般应低于ALSB。,（4）建立时间从送入数字信号起，到输出模拟量达到稳定值所需的时间。反应了电路的转换速度。最短可达0.1S。,三、典型芯片,DAC08328位D/A转换器，采用CMOS工艺制作， 20脚双列

10、直插式封装，与微处理器完全兼容。,引脚功能：,D7 D0 数字信号输入端 VR 参考电压输入端 VCC 电源电压输入端 IOUT1、IOUT2 电路输出端 Rfb 反馈电阻引出端 AGND 模拟信号接地端 DGND 数字信号接地端 控制信号输入端,第一组 组合，控制输入寄存器，实现输入 数据的第一级缓冲； 第二组 组合，控制DAC寄存器，实现数据的第二级缓冲；,工作方式：,双缓冲方式。 输入数字量进行两级缓冲。 首先将输入数据锁存到输入寄存器，然后锁存到DAC寄存器。当数据转存到DAC寄存器后，D/A转换的同时，输入寄存器可以接收新的数据。 单缓冲方式。 输入数字量进行一级缓冲。 具体实现时可

11、令两个寄存器中的一个处于受控状态，另一个处于直通状态。 直通方式。输入数字量不进行缓冲，直接作用到D/A转换器上。,7.3.3 集成A/D转换器,模/数转换器（ Analog to Digital Converter ，ADC）,由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以在将模拟 信号转换成数字信号时，必须在选定的一系列时间点上对 模拟信号进行采样，然后将这些采样值转换成数字量输出。 一般的A/D转换过程为：取样、保持、量化和编码。,采样：周期地获取模拟信号的瞬时值，从而得到一系列时间上离散的脉冲采样值。,保持：在两次采样之间将前一次采样值保存下来，使其在量化编码期间不发生变化。 采样保持电流一

12、般由采样模拟开关、保持电容和运算放大器等几个部分组成。,经采样保持得到的信号值依然是模拟量，而不是数字量。 任何一个数字量的大小，都是以某个最小数字量单位的整数倍来表示的。将采样保持电压转化成最小数值单位的整数倍的过程，称为量化。所取得最小数量单位叫做量化单位，其大小等于数字量的最低有效位所代表的模拟电压大小，记作 VLSB。 把量化的结果用代码（二进制代码、BCD码等）表示出来，称为编码。,一、 A/D转换器的类型,并行比较型A/D转换器 由电阻分压器、电压比较器、 数码寄存器及编码器4个部分组成。 适用于转换速度高、分辨率低的场合。,并行比较型A/D转换器真值表,逐次比较型A/D转换器 由

13、电压比较器、逻辑控制器、 D/A转换器及数码寄存器组成。 特点：转换速度较快，输出代码位数高，精度高。,双积分型A/D转换器 间接A/D转换器。由积分器、检零比较器、时钟控制器和计时器等几部分组成。 工作原理：把输入的模拟电压转换成一个与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度内对固定频率的时钟脉冲进行计数，其结果就是正比于输入模拟信号的输入量输出。 特点：精度高、抗干扰能力强，缺点是速度慢。,二、 A/D转换器的主要技术参数,（1）分辨率说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。 一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。 （