第七章模拟与数字混合系统及应用

第七章模拟与数字混合系统及应用7.1555定时器及应用7.2D/A转换和A/D转换

数字电路区别于模拟电路的主要特点之一是：它的工作信号是离散的脉冲信号。最常用的脉冲信号是方波(矩形波)。如何产生方波以及对不理想的方波如何整形，是本节讨论的重点。背景：7.1555定时器的原理和应用脉冲电路分类：脉冲电路作用：脉冲波形的产生和整形。脉冲电路构成：开关电路+RC电路破坏电路的稳态，产生暂态。控制暂稳态时间的变化规律。脉冲电路与数字电路的比较：单稳态电路（单稳态触发器）多谐振荡（无稳态）电路施密特电路（施密特触发器）★数字信号的波形也是一种脉冲电路★脉冲电路侧重波形，数字电路侧重逻辑关系。电容充放电知识复习：(1)电容两端的电压不能突变，Vc（0＋）＝Vc（0－），电容充放电需要时间，有过渡过程，其时间长短只与τ＝RC有关,工程上取(4～5)τ；（2）开始充放电（换路）瞬间，阻抗很小，相当短路；充放电结束，电路处于稳态，C支路电流为0，阻抗很大，相当开路；（3）简单RC电路中，各处电压、电流均按指数规律变化；（4）在简单RC电路中)(tvC＋=)(vC∞-)(vC∞)0(vC+［］eτt)()()0()(lntvvvvτtCCCC--∞=+∞或7.1555定时器的原理和应用(续）

555定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。它使用方便,带负载能力较强,目前得到了非常广泛的应用。单定时器双极型——最后3位数555单极型——最后4位数7555双定时器双极型——最后3位数556单极型——最后4位数7556型号：一、555定时器的电路结构和基本功能

555定时器的内部电路包括以下几部分:①两个电压比较器:C1、C2;②一个基本RS触发器;③一个放电晶体管T；④由三个相等电阻组成的分压器;⑤一个反相器等。1.电路结构低电平触发端高电平触发端电压控制端复位端低电平有效放电端5～16V输出端地vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2T电源电压范围:5V~16V555定时器的管脚图12345678555VCCDTHCOGNDTRVoRD电源放电阈值电控压制地触发输出复位2.基本功能vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2T

三个电阻构成的分压器给两个比较器提供基准电压:分别为和。001vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2TbTHCOTRD+VccRDvo++--84562713＆＆1RRRRQQC1C2＞2/3VCC＞1/3VCC00011THCOTRD+VccRDvo++--84562713＆＆1RRRRQQC1C2＜2VCC/3＞VCC/311010bTHCOTRD+VccRDuo++--84562713＆＆1RRRRQQC1C2＜2VCC/3<VCC/310110b×2VCC/3VCC

/3大于小于保持保持1大于2VCC/3VCC/3大于10导通00导通2VCC

/3VCC

/3小于小于11截止阈值端触发端THTRRD晶体管Tvo综合以上的分析结果,便可得到555的功能表:1.555定时器做施密特触发器施密特触发器的特点：（1）双稳态触发器，有两个稳定的状态；（2）电平触发——电压达到某个值时电路状态翻转；（3）具有滞回电压传输特性——回差特性（两次翻转输入电平不同）；二、555定时器的基本应用555定时器应用范围非常广泛，可以做施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等。

⑴电路：2，6端连在一起作为信号输入端+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2vIVcc1

vo1VI<1/3VCC时，C1输出高电平，C2输出低电平，VO=1VI>2/3VCC时，C1输出低电平，C2输出高电平，VO=0构成集电极开路型输出端。Rvi8467

5553251vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压调节回差vivott00UT+UT－2VCC/3VCC/3⑵工作原理：（a）当Vi＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q＝1、0=Q，。升高时，在未到达2Vcc/3以前，的状态不会改变。VO＝1ViVO＝1Rvi8467

5553251vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压调节回差vivott00UT+UT－2VCC/3VCC/3（b）vi升高到2VCC/3时，比较器C1输出为0、C2输出为1，触发器置0，即Q＝0、1=Q，vo=0。此后，vi上升到VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3以前，vo＝0的状态不会改变。（a）当vi＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q＝1、0=Q，vo＝1。vi升高时，在未到达2VCC/3以前，vo＝1的状态不会改变。Rvi8467

5553251vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压调节回差vivott00UT+UT－2VCC/3VCC/3（c）vi下降到VCC/3时，比较器C1输出为1、C2输出为0，触发器置1，即Q＝1、0=Q，vo=1。此后，vi继续下降到0，但vo＝1的状态不会改变。（b）vi升高到2VCC/3时，比较器C1输出为0、C2输出为1，触发器置0，即Q＝0、1=Q，vo=0。此后，vi上升到VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3以前，vo＝0的状态不会改变。（a）当vi＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q＝1、0=Q，vo＝1。vi升高时，在未到达2VCC/3以前，vo＝1的状态不会改变。下降阈值电压vovi(b)逻辑符号(a)传输特性VT－VT+上升阈值电压回差电压（滞后电压）：VT+=2/3VCC;VT-=1/3VCCΔVT＝VT＋－VT－=1/3VCCvIvO②在7脚外接一电阻，并与VCC1相连，

vO=1时，vO1=Vcc1;vO=0时，vO1=0，

可以实现电平转换。①在5脚上加控制电压VCO可以改变VT+,VT-，以调节回差电压的大小。VT+=VCOVT-=1/2VCORvi8467

5553251vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压调节回差说明：⑶施密特触发器的应用：①波形变换——三角波、正弦波变换成方波（同相输出）vItvOtVT+VT-VT+VT-vItvOt正弦波→方波三角波→方波调节VT+,VT-可以改变宽度②波形整形——消除噪声干扰vItvOtVT+VT-vItvOtVT+VT-回差电压比较小回差电压比较大③幅度鉴别vItvOtVT+VT-可以调节VT+作为鉴别门限④构成多谐振荡器1vIvO555定时器的基本应用(续）2.单稳态触发器单稳态触发器的特点①电路有一个稳态和一个暂稳态。②在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。③暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。稳定状态稳定状态暂稳态由外界触发自动返回学习的重点:为什么会自动返回?需多少时间?图示暂稳态：RC⑴单稳态触发器电路：外接RC+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2vITb+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvIT截止时，对C充电T导通时，C放电⑵工作原理：可以在5脚外接控制电压，以改变放电阀值。VTHVCbTVC>2/3VCC时，Vo＝0，T导通，C放电。V6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0导通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止2/3VCCtvi00vCt0vot①稳态（VI＝1，Vo=0）vIvOVCCRCvC0.01uF12348765接通VCC后,C充电，当vc上升到2VCC/3时:→比较器C1=0，将触发器置0，→Vo＝0。→T导通，C放电,vc≈0→电路进入稳态。V6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0导通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止2/3VCCvIvOVCCRCvC0.01uF12348765

②外触发:ViVi＜1/3VCC，→比较器C2＝0，触发器置1，→Vo＝1→T截止，C充电→电路进入暂稳态。tvi00vCt0votV6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0导通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止T截止，C充电，当vc上升到2/3VCC时:→比较器C1=0，触发器置0，→Vo＝0→T导通，C放电,vc≈0电路→电路返回稳态。vIvOVCCRCvC0.01uF12348765V6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0导通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止2/3VCCtvi00vCt0vot

③自动返回（VI＝1）:由以上过程可以看出:每来一次负脉冲,vo便输出一个正脉冲,其宽度tW

由RC决定。vIvOVCCRCvC0.01uF123487652/3VCCtvi00vC0votttW

⑶输出脉冲宽度twtw是Vc从0指数上升到2VCC/3时所需的时间注意:tw宽度的增加，将降低定时精度和稳度。

tw的范围为几秒到几分钟。2/3VCCtvi00vC0votttWtw＝1.1RC2/3VccvCvI(S)vO在充电过程中vI0←→1变化,C1=1,C2=0/1,Q保持为1，电路状态不变（T截止，C保持充电状态）。多次触发时的情况：故该电路为不可重复触发型单稳态触发器：①电路图：⑷可重复触发的单稳态触发器+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvITbT1⑷可重复触发的单稳态触发器（续）+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvITbT1②工作过程b.触发时:a.稳态时:VI=1,T1截止,电路状态同普通单稳。VI=0，电路触发翻转，Vo＝1VI=0期间,T1导通,电容不能充电。VI=1后，T1截止,电容开始充电。⑷可重复触发的单稳态触发器（续）+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvITbT1②工作过程（续）c.重复触发时:当Vc<2/3VCC(电路仍处暂态)时，若VI又进行触发(VI=0),则C通过T1放电,电路将维持在暂态,直到在tW时间内没有新的触发,电路回到稳态。a.稳态时:b.触发时:vI③可重复触发的单稳态触发器的波形图：vCvOVTHVCC失落脉冲检测仪触发过程：c.VI=1

→电容开始充电e.重复触发：电容充电过程中VI=0,电容放电，VI=1后，再次充电→→实现可重复触发。a.

VI=1,稳态→VO=0tWtWb.

VI=0,触发→VO=1

→进入暂态d.VC>2/3Vcc→Q=0,→VO=0,恢复稳态，

→T导通,电容放电⑸单稳态触发器的应用一般用于定时（产生一定宽度的矩形波）整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）延时（把输入信号延迟一定时间后输出）1)定时

twtw

vOvAvIttttpitW2tw12)延时3)整形3.

555定时器做多谐振荡器多谐振荡器的特点：（1）不需外触发的自激振荡器；（2）无稳定状态，均为暂稳态；（3）矩形波中含有丰富的高次谐波，习惯称多谐振荡器。外接R1,R2,C⑴电路：+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRbQQC1C2TR1CR2vOVCCR1CvC0.01uF12348765R2

①Vcc通过R1、R2向C充电,在

VC没有充电到2VCC/3之前,Vo

保持

1不变。②

当VC＝2VCC/3时→Vo由1翻转为

0。→T导通→电容C经R2、T放电。vC0t0tvoVCC/32VCC/3t1t2t3③当Vc降至VCC

/3时，使得→Vo回到1

→T截止

→电容C再充电，进入循环...⑵原理VCC/32VCC/3所需的时间：3/1VCC3/2ln2VCRtCCw2=≈0.7R2C第一个暂稳态的脉冲宽度tw1，Vc从VCC/3充电上升到2VCC/3所需的时间：第二个暂稳态的脉冲宽度tw2，Vc从2VCC/3放电下降到VCC/33/23/1ln)(21VVVVCRRtCCCCCCCCw1--+=≈0.7(R+R)C21vOtW2tW1vc占空比：q=tw1/T=(R2+R1)/(2R2+R1)频率：f＝≈1.43/1TR1＋2R2)C(振荡周期：T＝tw1＋tw2≈0.7(R1＋2R2)C电路特点：充放电电路分开充电路径：tw1=RACln2放电路径：tw2=RBCln2占空比：q=tw1/(tw1+tw2)=RA/(RA+RB)

通过调节R2来调节占空比vOVCCR1C0.01uF12348765R2R3RARB⑶占空比可调多谐振荡器:本节小结：

555定时器是一种多用途的集成电路。只需外接少量阻容元件便可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等。此外，它还可组成其它各种实用电路。由于555定时器使用方便、灵活，有较强的负载能力和较高的触发灵敏度，因此，它在自动控制、仪器仪表、家用电器等许多领域都有着广泛的应用。除555单定时器外，还有双定时器556、四定时器558等。概述能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。7.2数/模和模/数转换一、D/A转换器的基本原理将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。基本原理7.2.1D/A转换器给定数字量的D/A转换过程：⑴按权展开，求相应位的模拟量；⑵相加求和，求总的模拟量；⑴电阻网络：实现按权展开；⑵电子开关:给定数字量；⑶求和电路:完成模拟量相加。DAC的一般构成：存在多种网络形式。由晶体管或MOS管组成。由运放组成。转换特性D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压uo=Ku×D或输出模拟电流io=Ki×D。其中Ku或Ki为电压或电流转换比例系数，D为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制数dn-1dn-2…d1d0，则输出模拟电压为：二、二进制权电阻网络DAC参考电压电子开关：d＝1→接“-”;d=0→接“+”不论d接哪端（虚地或实地），各支路电流不变。求和电路⒈电路设RF=R/2⒉转换原理⒊输出特点：（1）结构简单；（2）电阻品种多，阻值相差大，转换精度低。⒈电路注：1、电子开关置于电阻网络和运放之间。di＝1电流入P点（虚地），di＝0电流入地（实地）。2、无论开关在左（实地）还是在右（虚地），电流不变，故无需电流建立时间。三、倒T型电阻网络DAC⒉转换原理①节点A、B、C、D以左，等效电阻为2R。总等效电阻为R。②总电流⒉转换原理（续）③每过一个节点，电流被分流1/2。⒉转换原理（续）④流入P点总电流⑤输出电压常见DAC输出公式归纳权电阻网络倒T型电阻网络取Rf＝R：四、DAC常见输出形式1.单极性输出方式输出从0～正满度变化(VR<0)或输出从0～负满度变化(VR>0)①单极性反相电压输出DAC--+I∑d0d1dn-1VORFDAC+--I∑d0d1dn-1VORFR1RV+V-②单极性同相电压输出说明:单极性输出DAC,输入数字量一般采用自然二进制数.如:n=8时,数字量输入与模拟量输出之间的关系如下表:11111111●●1000000110000000●●0000000100000000模拟量数字量2.双极性输出方式说明:①输出电压范围从负满度值～正满度值变化.(如-5V～+5V)②对应输入是带有符号位的数字代码,用1位数字作符号位.③在双极性转换中,常用的编码有:符号—数值码（符号位＋数值码）偏移二进制码2的补码BCD码⑴偏移二进制码输入时，输入与输出的关系11111111●●100000011000000001111111●●0000000100000000单极性输出数字量双极性输出有表可知：11111111●●100000011000000001111111●●0000000100000000

单极性输出数字量双极性输出①同样的二进制码输入，偏移双极性输出平移半程，即输入80H对应输出为0。②d7为符号位，7位有效数值位，输出正负各半。③偏移码输入与输出的关系：⑵偏移二进制码输入的DAC电路DAC--+I∑d0d1dn-1VO1RF1VO--+R2R1RF2VR10KΩ20KΩ20KΩA1A2①A1完成单极性输出，②A2完成构成加法电路，完成双极性输出。五.电路示例：1.倒梯形电阻网络集成D/A转换器CB7520(AD7520)为10位的输入CMOS集成电路八位寄存器(1)输入八位寄存器(2)输入八位－＋＋URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&LECSWR1WR2XFERDACD7D0......11简化电路框图2.集成D/A转换器DAC08322.集成D/A转换器DAC0832DAC0832管脚图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3VCCVRRfbDGNDLEXFERIout2Iout11234567891019181716151413121120CS片选端WR1、WR2写入端D7--D0数据输入端XFER转移控制端LE锁存使能端Iout2Iout1电流输出端VR

参考电压端Rfb

内部反馈电阻引出端2.集成D/A转换器DAC0832DAC0832与微处理器相连（1）分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：（2）转换误差D/A转换器的转换误差是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。六.D/A转换器的主要性能指标1.转换精度（1）输出建立时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。2.转换速度

（1）波形产生电路

七.DAC应用A1A2A0D3D2D1D0D/A01000000000001111111111100000000000000000000001111111111124812963ROMD/A计数器CP计数脉冲送示波器34o可编程数字波形发生器A1A2A0D3D2D1D0D/A01000000000001111111111100000000000000000000001111111111124812963t

o0（2）数字式可编程增益控制电路6.3.2

A/D转换器(ADC)A/D转换器(ADC)是将输入模拟信号转换成数字信号的装置。按工作原理分类并行比较型逐次逼近型双积分型V/F转换型按转换方式分类直接转换逐次逼近型双积分型V/F转换型间接转换并行比较型一、转换原理

模拟信号（A）转换成数字信号（D）需要时间，所以转换时间上是离散的；另一方面，模拟信号辐值连续，数字信号辐值离散。所以A/D转换需要做的是对模拟信号进行辐值离散和时间离散。时间离散→采样、保持辐值离散→量化、编码⒈采样电路⑴要求①在采样时间内，信号维持不变，以提供足够的转换时间。②采样后保持原信号特征。⑵采样定理采样频率大于2倍输入信号频率的最大值。①②③⑦①②④⑤⑥⑧

fs≥2fi(max)

采样频率:每秒钟采样的次数输入信号Vi的最高频率分量的频率VitVs香农采样定理：为了保证采样信号Vs能正确地表示模拟输入信号Vi，必须满足：⑶采样保持电路①VL=1时：V导通，Vo＝Vc＝－ViV－采样开关，R1＝Rf②VL=0时：V截止，Vc（Vo）在短时内保持不变。集成芯片LF198：采样保持放大器，原理如上，前端有隔离放大器。⒉量化编码为了产生量化编码，在设计（或选择）A/D器件时，首先应确定最小量化单位，即单位数字量所代表的模拟量。如量化单位用△表示，量化过程为：把要转换的模拟量除△，得：①整数部分，用二进制表示，即得转换数字量。②余数部分，即量化误差。误差处理：四舍五入——误差小。只舍不入——误差大。量化单位越小→转换位数越多→量化误差越小。例:试用三位二进制代码对0—1V的电压进行

量化与编码(取△=1/8V,量化误差为△=1/8V)01/8V7/8V2/8V3/8V4/8V5/8V6/8V1V0△0001△0012△0103△0114△1005△1016△1107△111

Vi量化结果

编码结果如果取△=2/15V,量化误差为△/2=1/15V01/15V13/15V3/15V5/15V7/15V9/15V11/15V1V0△0001△0012△0103△0114△1005△1016△1107△111

Vi量化结果

编码结果3.关于量化误差用表示最小量化单位。是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB任意采样电压不一定都能被整除，所以量化后不可避免地存在量化误差量化误差是原理性误差，因而无法消除。ADC的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小两种量化方式：只舍不入和四舍五入任何一个数字量的大小只能的整数倍电压比较器输入模拟电压精密电阻网络（23个电阻）D触发器VREF/82VREF/84VREF/85VREF/86VREF/83VREF/87VREF/8输出数字量二、并联比较型A/D转换器精密参考电压代码转换器11VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15VI=8VREF/1511110000001111I7的优先级最高001

vI

I7I6I5I4I3I2I1

D2D1D0

7VREF/15

vI9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI13VREF/15

011111111013VREF/15

vI15VREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vIVREF/15

0000000000

根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系

比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。并联比较型ADC特点：转换速度快；结构复杂。逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似所加砝码重量第一次第二次第三次第四次再加4克再加2克再加1克8克砝码总重<待测重量Wx，8克砝码保留砝码总重仍<待测重量Wx，4克砝码保留砝码总重>待测重量Wx，2克砝码撤除砝码总重＝待测重量Wx，1克砝码保留

结果8克12克12克13克

所用砝码重量：8克、4克、2克和1克设待秤重量Wx=13克。称重过程

三.逐次比较型ADC逐次渐近型ADC框图DAC逐次渐近寄存器输出寄存器脉冲源+-CVLVsVoVBCP控制逻辑

转换原理

100…0100…0I

≥VREF/2

1I

<VREF/2

0010…0110…0I

≥3/4VREF

1010I

<3/4VREF

转换原理

001…0101…0I

≥5/8VREF

1010I

<5/8VREF

10转换原理

10000000A=6.84VVREF=10V10101111三位逐次比较型ADC工作过程000清0初始化100S1置最高位QCQBQA

010110最高位比较S3置最低位S2置次高位