《数字电路与逻辑设计》课件-6-脉冲波形产生与数-模转换电路

第6章脉冲波形产生与数-模转换电路数字电路与逻辑设计/机械工业出版社主要教学内容6.1脉冲波形产生电路6.2D/A转换器6.3A/D转换电路6.1脉冲波形产生电路概述矩形脉冲信号的获取方法有两种：产生:不用信号源，加上电源自激振荡，直接产生波形。整形:输入信号源进行整形。脉冲产生电路:多谐振荡器脉冲整形（变换）电路:施密特触发器、单稳态触发器6.1.1描述矩形脉冲的主要参数下降时间tf脉冲周期T

脉冲宽度Tw脉冲幅度Vm上升时间tr6.1.2施密特触发电路

施密特触发器（SchmittTrigger）是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。与我们第五章分析的触发器（Flip-Flop）相比，是中文译文名称相同，但性质完全不同的两种电路，不要误解为同一类电路。施密特触发器逻辑符号和滞回特性图6.1.2施密特触发器逻辑符号和滞回特性同相输出施密特触发器逻辑符号及滞回传输特性反相输出VT+：正向阈值电压VT-：负向阈值电压ΔVT＝VT＋－VT－滞回电压传输特性：输入电压的上升过程和下降过程的阈值电平不同。图6.1.2（a）（b）为同相输出的施密特触发器逻辑符号和电压传输特性，图6.1.2（c）（d）为反相输出的施密特触发器逻辑符号和电压传输特性。VT+为正向阈值电压，VT-为负向阈值电压，回差电压ΔVT＝VT＋－VT－。74HC132功能表和逻辑题74HC132引脚和顶视图74HC132施密特触发器主要应用1、波形变换可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为同频率的矩形脉冲

施密特触发器的应用2、脉冲整形可以适当调节施密特触发器的回差电压,得到整齐的矩形脉冲

施密特触发器的应用3、幅度鉴别可以通过调整电路的VT+和VT-,将输入信号中幅度超过VT+

的脉冲选出,幅度较小的脉冲消除,所以具有幅度鉴别能力。

4、构成多谐振荡电路

图6.1.5典型施密特触发器构成多谐振荡器单稳态触发器基本概念

单稳态触发器的特点：只有一个稳定状态，一个暂稳态。在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。经过一段时间,电路自动返回到稳定状态。

单稳态触发器常用于脉冲的整形、定时和延时。

6.1.3集成单稳态触发器集成单稳态触发器-74121图6.1.774121芯片的顶视图和逻辑符号图6.1.8不同输入情况下的单稳态电路输出波形芯片外接Cext和Rest参数决定了单稳态脉冲宽度tw，，0-t1期间，A1=1、A2=0、B=0，则Vo=0，触发器处于稳态；t1时刻A0=0、B上升沿到达，触发器触发由稳态进入暂稳态，Vo=1，t2时刻由暂稳态回到稳态，Vo=0；t3时刻，A1=B=1，此时A2下降沿到达，触发器触发由稳态进入暂稳态，t4时刻回到稳态t5时刻，A2=B=1，此时A1触发脉冲到达，触发器由稳态进入暂稳态，到t6时刻回到稳态。(a)不可重复触发单稳态触发器工作波形

(b)可重复触发单稳态触发器工作波形

根据电路工作特性不同，集成单稳态触发器分为不可重复触发和可重复触发两种例：555定时器：一种多用途的数字－模拟混合集成电路。该电路功能灵活，构成：单稳态触发器、多谐振荡器或施密特触发器。应用于定时、检测、控制、报警等方面。6.1.4多谐振荡电路多谐振荡电路概念：又称无稳电路，主要用于产生各种方波或时间脉冲信号。它是一种自激振荡器，在接通电源之后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲波。由于矩形脉冲波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器称为多谐振荡器。性能特点：①没有稳态，有两个暂稳态。

②工作不需要外加信号源，只需要电源。一、555定时器的电路结构和功能控制电压触发输入复位端输出放电端阈值输入G3（1）当TH>VR1，TR’＞VR2时，VC1=0，VC2=1，RS触发器被置0，G1输出高电平，Vo输出低电平，同时TD管导通。555定时器工作原理分析

图6.1.9双极型555定时器CB555输出端还设置了缓冲器G4以提高带负载能力。若将vOD端经过一个足够大阻值的电阻接到电源上，那么VO将和vOD同相。

称TH为高电平触发端；TR’低电平触发端

555定时器功能表将555定时器的高电平触发端TH和低电平TR’触发端连接起来，作为触发信号的输入端，就可构成施密特触发器二、用555定时器接成的施密特触发电路定时器构成的施密特触发器电压传输特性曲线[例6.1.1]已知一个555定时芯片，请将输入三角波转换成矩形波。解：

方法：我们知道施密特触发器具有波形变换作用，因此我们先用555定时器接成的施密特触发电路，再将三角波接入到图6.1.10的Vi端，输出端可以得到如图6.1.12输出矩形波。图6.1.12题6.1.1图三、用555定时器接成的单稳态电路

1)稳态未加入负触发脉冲,当Vi为高电平1并稳定一段时间后,Q’端为1(Q为0),Vo为低电平的稳定状态

用555定时器接成的单稳态电路2)暂稳态

当Vi来一个较短的负脉冲后,Q端改变状态,Vo由低电平跳变为高电平,电路进入暂稳态设：特性：这个单稳态触发器是负脉冲触发的。稳态时，这个单稳态触发器输出低电平。暂稳态时，这个触发器输出高电平。该电路输出脉冲宽度为四、用555定时器接成的多谐振荡电路工作原理VC=0,Q’=0，Vo=1,TD截止, VCC→R1→R2→C充电,

VC按指数规律上升;当VC略大于2/3VCC，

输出Vo由1转换为0； Q’=1,TD导通,C→R2→TD放电，

VC按指数规律下降当VC降至略低于1/3VCC，

输出Vo由0转换为1。

多谐振荡器工作波形图占空比可调的多谐振荡器输出脉冲占空比:输出脉冲占空比:

模数与数模转换概述

模拟传感器A/D转换器数字控制计算机D/A转换器模拟控制器将温度、压力、流

量、应力等物理量

转换为模拟电量计算机进行数字处

理（如计算、滤

波）、保存等用模拟量作为

控制信号工业生产过程控制对象ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。

6.2

D/A转换器概述模－数转换（A/D转换）：将模拟信号转换为数字信号。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简写为ADC(Analog-DigitalConverter)数－模转换（D/A转换）：将数字信号转换为模拟信号。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简写为DAC(Digital-AnalogConverter)芯片中的DAC与ADC模块6.2.1

D/A转换器的结构和工作原理D/A转换电路的作用是将离散的数字量转换成连续的模拟量。也就是将二进制数字信号转换成其相对应数值的模拟量。图6.2.1所示是一个n位二进制的D/A转换的结构框图。输入二进制数字量：

D=（dn-1

dn-2

d1

d0）

2=dn-12n-1+dn-22n-2+

+d121+d020

，输出模拟电压uO=

D△=（dn-12n-1+dn-22n-2+

+d121+d020

）△，其中，△

是DAC能输出的最小电压值，称为DAC的单位量化电压，它等于D最低位（LSB）为1、其余各位均为0时的模拟输出电压（用

ULSB

表示）（LSB—LeastSignificantBit）输出模拟电压

uO=

D△=(Dn-12n-1+Dn-22n-2+

+D121+D020)△

可见，uO∝

D，uO的大小反映了数字量

D

的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1…uOn

位二进制数输入模拟电压输出LSB—LeastSignificantBit

输入数字量D=(Dn-1

Dn-2

D1

D0)2

=Dn-12n-1+Dn-22n-2+

+D121+D020

△是DAC能输出的最小电压值，称为DAC的单位量化电压，它等于D

最低位(LSB)为1、其余各位均为0时的模拟输出电压(用ULSB

表示)。6.2.1

D/A转换器的结构和工作原理一、权电阻D/A转换器四位输入权电阻网络D/A转换器四位的二进制数模拟量D/A转换电路的作用是将离散的数字量转换成连续的模拟量。也就是将二进制数字信号转换成其相对应数值的模拟量。图6.2.1所示是一个n位二进制的D/A转换的结构框图。一、权电阻D/A转换器

输入扩充到n位图6.2.2四位输入权电阻网络D/A转换器二、倒T形电阻网络D/A转换器电阻网络模拟电子开关求和放大器

由于V-≈V+=0,所以开关S合到哪一边，都相当于接到了“地”电位，流过每条电路的电流始终不变。可等效为：取RF=Rn位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R时，输出电压的计算公式：优点：（1）只有R和2R两种阻值的电阻，可达到较高的精度；（2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用广泛。了解CB7520电路原理图三、权电流型D/A转换器恒流源恒流源模型：

只要电路工作时保证VB和VEE稳定不变，则三极管的集电极电流即可保持恒定，不受开关内阻的影响。

为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型D/A转换器中，经常利用倒T形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒流源。按比例加大发射结的面积DAC0808电路结构框图已知VREF=10V四、开关树形D/A转换器*N位DAC:4位DAC:五、权电容网络D/A转换器*权电容网络D/A转换器

输出电压

六、具有双极性输出的D/A转换器表6.2.1带偏移电阻D/A转换器的输入输出关系在二进制算数运算中，我们对于负数的处理和表示通常是通过补码的形式，因此我们在D/A转换器的双极性输出中也利用这样一种方式来实现。具有双极性输出的D/A转换器表6.2.2补码输入D/A转换器的输入输出关系6.2.2D/A转换电路的转换精度与转换速度1.分辨率DAC的最小输出电压变化量，也即DAC的最小输出电压值

表示满度输出电压值，FSR即FullScaleRange指D/A转换器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。

UFSR=uO|D=11

1=(2n–1)ULSBn位均为1例如，一个10位的DAC，分辨率为0.000978。DAC的位数越多，分辨率值就越小，能分辨的最小输出电压值也越小。分辨率是对理想情况下理论上D/A转换器转换精度的描述。而由于D/A转换器转换的各个环节的参数和状态与理论值之间不可避免的会产生差异，比如电路元件参数误差，基准电路不稳，运算放大器零点漂移等因素，所以转换精度还必须考虑转换过程中的转换误差。转换误差问题分析转换误差可分为三类，比例系数误差，平移误差，非线性误差，

图6.2.11比例系数误差（2）、当运算放大器产生零点漂移时，会使转换器产生平移误差：图6.2.12平移误差（3）、非线性误差产生的原因有很多种，一般情况下是由多个因素综合影响造成的。例如各个模拟开关的导通压降不一致，而且对于一个模拟开关来说接地和接VREF时的导通压降也可能是不同的。此外电阻网络中的电阻也存在数值误差，且每条支路上存在的误差不一定相同等等，这一系列因素会造成转换器的非线性误差。要获得较高精度的D/A转换结果，除了正确选用DAC的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。

3.

转换时间指DAC在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。转换时间越小，转换速度就越高。2.

转换精度

指DAC实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。它是一个综合指标，不仅与DAC中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。

通常要求DAC的误差小于ULSB/2。6.3A/D转换电路能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。

A/D转换器功能ADC输入模拟电压

Vi

输出数字量Dn~D0A/D转换过程基本过程A/D转换器一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程。

6.3.1A/D转换的基本原理取样与保持采样过程取样：是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量。

输人模拟信号采样脉冲输出信号

6.3.1A/D转换的基本原理取样与保持取样保持电路输出波形6.3.1A/D转换的基本原理量化与编码编码：把量化的结果用代码（可以是二进制，也可是其他进制）表示出来，称为编码量化：指将信号的连续取值（或者大量可能的离散取值）近似为有限多个（或较少的）离散值的过程6.3.1A/D转换的基本原理（1）舍尾取整

最小量化单位量化的方法（2）四舍五入法

最小量化单位6.3.1A/D转换的基本原理并联比较型A／D转换器

V

VREF/15

V

3

VREF/15

V

5VREF/15

V

7VREF/15

V

9VREF/15

V

11VREF/15

V

13VREF/15

6.3.2A/D转换电路结构和工作原理图6.3.5并联比较型A/D转换器并联比较型A/D转换器状态转换表6.3.2A/D转换电路结构和工作原理并联比较型A/D转换器转换精度主要取决于量化电平的划分，分的越精细，精度越高。这种ADC最大的优点是具有较快的转换速度。但是,所用比较器和其他硬件较多，输出数字量位数越多，转换电路越复杂。因此这种类型的转换器适用于高速度、低精度要求的场合。概述流水线型A/D转换器图6.3.6流水线型A/D转换器结构框图流水线型A/D转换器逐次逼近型A/D转换电路转换原理：逐次逼近型A/D转换器类似于天平称重。先放一个大砝码上去，如果物体重于砝码则继续加小砝码。如果物体轻于砝码，则把砝码拿下换个小的，照此处理过程一直操作到最小的那个砝码。所留下砝码的总重量就是物体的重量。

6.3.2A/D转换电路结构和工作原理逐次逼近转换技术，就是取一个数字量加到D/A转换器上，输出一个对应的模拟电压VO，与待转换的拟量VI进行比较.若VO与VI正好相等，就得到了与模拟量VI相对应的数字量。

通常从高位到低位逐位增加数字量，经过多次比较后，就

能找到与模拟量VI相对应数字量

特点●转换时间长●电路规模小●需加取样保持电路图6.3.7 逐次逼近型A/D转换电路结构框图逐次逼近型A/D转换电路图6.3.83位逐次渐近型A/D转换器的电路原理图逐次逼近型A/D转换电路双积分型A/D转换器主要由积分器（A），过零比较器（C），时钟脉冲控制门（G）和计数器组成图6.3.9双积分型A/D转换器的电路图工作过程准备阶段复位信号CR会使计数器清零;开关

会处于闭合状态双积分型A/D转换器工作过程

第一次积分6.3.2A/D转换电路结构和工作原