電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）課件 蘇莉萍 第13、14章 脈沖產(chǎn)生電路和定時電路、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換

課題十三脈沖產(chǎn)生電路和定時電路13.1基本概念13.2555集成定時器電路13.3定時器的應(yīng)用課題小結(jié)

13.1基本概念

13.1.1幾種常見的脈沖信號波形

“脈沖”從字面可理解到脈動和短促的意思。我們所討論的脈沖信號是指在短暫時間間隔內(nèi)作用于電路的電壓或電流。從廣義來說，各種非正弦信號統(tǒng)稱為脈沖信號。脈沖信號的波形多種多樣，圖13.1給出了幾種常見的脈沖信號波形。圖13.1幾種常見的脈沖信號波形

13.1.2脈沖信號波形參數(shù)

為了表征脈沖波形的特性，以便對它進行分析，我們僅以矩形脈沖波形為例，介紹脈沖波形的參數(shù)。如圖13.2所示的矩形脈沖波形，可用以下幾個主要參數(shù)表示：

(1)脈沖幅度Um

——脈沖電壓的最大變化幅度；

(2)脈沖寬度tw——從脈沖前沿0.5Um至脈沖后沿0.5Um的時間間隔；

(3)上升時間tr——脈沖前沿從0.1Um上升到0.9Um所需要的時間；

(4)下降時間tf——脈沖后沿從0.9Um下降到0.1Um所需要的時間；

(5)脈沖周期T——周期性重復(fù)的脈沖中，兩個相鄰脈沖上相對應(yīng)點之間的時間間隔。有時也用脈沖重復(fù)頻率f=1/T表示，f表示單位時間內(nèi)脈沖重復(fù)變化的次數(shù)。

13.2555集成定時器電路

13.2.1電路組成圖13.3所示為CC7555的電路和外引線排列圖。由圖13.3(a)可以看出，電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、MOS管構(gòu)成的放電開關(guān)和輸出驅(qū)動電路等幾部分組成。13.3CC7555集成定時電路

1.電阻分壓器

電阻分壓器由3個阻值相同的電阻串聯(lián)構(gòu)成。它為兩個比較器A1和A2提供基準電平。如引腳5懸空，則比較器A1的基準電平為2/3UDD，比較器A2的基準電平為1/3UDD。如

果在引腳5外接電壓，則可改變兩個比較器A1和A2的基準電平。當引腳5不外接電壓時，通常接0.01μF的電容，再接地，以抑制干擾，起穩(wěn)定電阻上的分壓比的作用。

2.電壓比較器

3.基本RS觸發(fā)器

基本RS觸發(fā)器由兩個或非門組成，它的狀態(tài)由兩個比較器的輸出控制。根據(jù)基本RS觸發(fā)器的工作原理，就可以決定觸發(fā)器輸出端的狀態(tài)。

4.放電開關(guān)管和輸出緩沖級

13.2.2工作原理及特點

綜上所述，可以列出CC7555集成定時器的功能表，如表13.2所示。CC7555定時器是一種功能強、電路簡單、使用十分靈活、便于調(diào)節(jié)的電路，具有功耗低、電源電壓范圍寬(3~18V)、輸入阻抗極高、定時元件的選擇范圍大等特點，但輸出電流(在4mA以下)比雙極型定時器(如5G555)小(最大負載電流200mA)。

13.3定時器的應(yīng)用

13.3.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種只有一個穩(wěn)定狀態(tài)的電路，它的另一個狀態(tài)是暫穩(wěn)態(tài)。在外加觸發(fā)脈沖作用下，電路能夠從穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，靠電路自身的作用，將自動返回到穩(wěn)定狀態(tài)，并在輸出端獲得一個脈沖寬度為tw的矩形波。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，輸出的脈沖寬度tw就是暫穩(wěn)態(tài)的維持時間，其長短取決于電路自身的參數(shù)，而與觸發(fā)脈沖無關(guān)。

圖13.4CC7555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

2.工作原理

1)電路的穩(wěn)態(tài)

2)在外加觸發(fā)信號作用下，電路從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)

3)自動返回過程

4)恢復(fù)過程

3.輸出脈沖寬度tw

4.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是常見的脈沖基本單元電路之一，它被廣泛地用作脈沖的定時和延時。

1)脈沖的定時

由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能產(chǎn)生一定寬度(tw)的矩形輸出脈沖，利用這個矩形脈沖去控制某電路，使它在tw時間內(nèi)動作(或不動作)，這就是脈沖的定時。如圖13.5(a)所示是利用輸出寬度為tw的矩形脈沖作為與門輸入信號之一，只有在tw時間內(nèi)，與門才開門，信號A才能通過與門，工作波形如圖13.5(b)所示。圖13.5單穩(wěn)態(tài)電路的定時作用

2)脈沖的延時

圖13.6(a)所示電路利用單穩(wěn)態(tài)電路的輸出uo作為其他電路的觸發(fā)信號。由圖13.6(b)可見，uo

的下降沿比輸入觸發(fā)信號ui的下降沿延遲了tw。因此，利用uo下降沿去觸發(fā)其他電路(例如JK觸發(fā)器)，比用ui下降沿觸發(fā)時延遲了tw，這就是單穩(wěn)態(tài)電路的延時作用。圖13.6單穩(wěn)態(tài)電路的延時作用

13.3.2多諧振蕩器

在數(shù)字電路中，常常需要一種不需外加觸發(fā)脈沖就能夠產(chǎn)生具有一定頻率和幅度的矩形波的電路。由于矩形波中除基波外，還含有豐富的高次諧波成分，因此我們稱這種電路為多諧振蕩器。它常常用作脈沖信號源和電子自動開關(guān)等。

多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只具有兩個暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，其主要參數(shù)是振蕩周期T。

圖13.7CC7555構(gòu)成的多諧振蕩器

2.工作原理

3.電路振蕩周期T

對于圖13.7所示的多諧振蕩器電路，由于電容充、放電途徑不同，因而C的充電和放電時間常數(shù)不同，使輸出脈沖的寬度t1和t2也不同。在實際應(yīng)用中，常常需要調(diào)節(jié)t1和t2。在此，引進占空比的概念。輸出脈沖的占空比為

圖13.7

將圖13.7所示電路稍加改動，就可得到占空比可調(diào)的多諧振蕩器，如圖13.8所示。在圖13.8中加了電位器Rp，并利用二極管VD1和VD2將電容C的充電回路分開，充電回路為R1、VD1和C，放電回路為C、VD2和R2。該電路的振蕩周期為

13.3.3施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器是數(shù)字系統(tǒng)中常用的電路之一，它可以把變化緩慢的脈沖波形變換成為數(shù)字電路所需要的矩形脈沖。

施密特電路的特點在于它也有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器的區(qū)別在于這兩個穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要外加觸發(fā)信號，而且穩(wěn)定狀態(tài)的維持也要依賴于外加觸發(fā)信號，因此它的觸發(fā)方式是電平觸發(fā)。

圖13.9CC7555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

2.工作原理

3.施密特觸發(fā)器的應(yīng)用

施密特觸發(fā)器的用途十分廣泛，它主要用于波形變化、脈沖波形的整形及脈沖幅度鑒別等。

1)波形變換

將變化緩慢的非矩形波變換為矩形波，如圖13.10所示。圖13.10波形變換

2)脈沖整形

將一個不規(guī)則的或者在信號傳送過程中受到干擾而變壞的波形經(jīng)過施密特電路，可以得到良好的波形，這就是施密特電路的整形功能，如圖13.11所示。圖13.11波形的整形

3)脈沖幅度鑒別

利用施密特電路，可以從輸入幅度不等的一串脈沖中，去掉幅度較小的脈沖，保留幅度超過UT+的脈沖，這就是幅度鑒別，如圖13.12所示．圖13.12脈沖幅度鑒別圖13.12脈沖幅度鑒別

課題小結(jié)

本課題首先介紹了常見的脈沖波形和主要參數(shù)，然后介紹了中規(guī)模集成電路CC7555定時器的電路組成、功能和應(yīng)用。555定時器是一種使用方便、功能靈活多樣的集成器件，它的應(yīng)用十分廣泛，只需外接幾個阻容元件就可以構(gòu)成各種不同用途的脈沖電路。

多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，屬于自激的脈沖振蕩電路，它不需要外界的觸發(fā)信號就可以自動產(chǎn)生具有一定頻率和幅度的矩形脈沖。多諧振蕩器主要用作脈沖信號源和電子自動開關(guān)等。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個穩(wěn)態(tài)，在外加觸發(fā)信號的作用下，可以從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)態(tài)。依靠電路自身定時元件的充、放電作用，經(jīng)過一段時間，自動返回穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間的長短取決于定時元件R、C的數(shù)值。它可用于脈沖的定時、延時和整形等

施密特觸發(fā)器的特點是具有兩個穩(wěn)態(tài)，狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)與維持受輸入信號的電位控制，所以它的輸出脈寬是由輸入信號電位決定的，同時還具有滯后特性。由于施密特觸發(fā)器可將變化緩慢的脈沖波形轉(zhuǎn)變成矩形脈沖，故常利用它進行脈沖波形變換、整形和幅度鑒別等。課題十四模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換14.1D/A轉(zhuǎn)換14.2A/D轉(zhuǎn)換課題小結(jié)

14.1D/A轉(zhuǎn)換

14.1.1轉(zhuǎn)換電路

1.權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換電路

權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的原理電路如圖14.1所示。集成運放反相輸入端為“虛地”，每個開關(guān)可以切換到兩個不同的位置，切換到哪個位置由相應(yīng)位的數(shù)字量控制。當數(shù)字量為“1”時，開關(guān)接ER；當數(shù)字量為“0”時，開關(guān)接地。圖14.1權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)

當輸入二進制數(shù)碼中某一位Bi=1時，開關(guān)Si

接至基準電壓ER，這時在相應(yīng)的電阻Ri支路上產(chǎn)生電流為

當Bi=0時，開關(guān)Si

接地，電流Ii=0。

因此，第i路的電流為

總的輸出電流為

輸出電壓為

2.R-2RT型D/A轉(zhuǎn)換電路

圖14.2是R-2RT型D/A轉(zhuǎn)換電路的原理電路。與權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換電路一樣，二進制碼Bi控制著開關(guān)Si的位置。Bi為1，Si

接ER；Bi

為0，Si

接地。圖14.2R-2RT型D/A轉(zhuǎn)換電路

集成運放反相輸入端為“虛地”。因此，從兩端的T型節(jié)點開始，向中間逐節(jié)點推算，很容易得到：當Bi=1，其余位均為0時，從節(jié)點i向左向右看的電阻都是2R，這樣，從開關(guān)Si經(jīng)2R支路流進節(jié)點的電流等分后分別向左向右流出，其等效電路如圖14.3所示。圖14.3某模擬開關(guān)接ER，其他開關(guān)接地時的等效電路

二進制碼最高位對集成運放輸入端方向的電流為

其他各位產(chǎn)生的電流逐位減小一半，依次為

二進制碼控制的各開關(guān)對集成運放輸入端產(chǎn)生的總電流為

輸出電壓為

這種電路中電阻阻值只有R和2R兩種，精度易于保證，且流過各模擬開關(guān)的電流均相同，所以給設(shè)計和制作帶來方便，故集成D/A電路中多采用這種電路形式。

3.倒置T型D/A轉(zhuǎn)換電路

R-2RT型D/A轉(zhuǎn)換電路中，數(shù)字信號各位的傳輸時間不同，因而輸出端會產(chǎn)生尖峰效應(yīng)。倒置T型D/A轉(zhuǎn)換電路可以克服這種缺點，其原理圖如圖14.4所示。

集成運放反相輸入端為“虛地”，所以，不論開關(guān)切換到哪個位置，2R上端都接了0電位。這樣，從電阻網(wǎng)絡(luò)左端開始，用串并聯(lián)方法可以得到從ER看進去對地的等效電阻為R。這樣，從參考電源ER流進電阻網(wǎng)絡(luò)的電流為I=ER/R。圖14.4倒置T型D/A轉(zhuǎn)換電路

用與分析R-2RT型D/A轉(zhuǎn)換電路的方法類似的方法可知，每經(jīng)過一個節(jié)點，經(jīng)過電阻向上流的電流減小一半，正好反映了二進制各位碼應(yīng)滿足的位權(quán)關(guān)系。因此，可直接寫出

該電路工作時，在前一組二進制碼切換到后一組二進制碼時，各位碼對應(yīng)的電流同時到達集成運放輸入端，因而不會產(chǎn)生尖峰效應(yīng)。

14.1.2集成D/A轉(zhuǎn)換器

DAC0832方框圖及引腳排列圖如圖14.5所示。芯片內(nèi)含有一個八位D/A轉(zhuǎn)換電路，由倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)組成。還包括一個八位的輸入寄存器和一個八位的DAC寄

存器。當DAC寄存器中的數(shù)字信號在進行D/A轉(zhuǎn)換時，下一組數(shù)字信號可存入輸入寄存器，這樣可提高轉(zhuǎn)換速度。芯片外接集成運放，將轉(zhuǎn)換成的模擬電流信號放大后轉(zhuǎn)變成電壓信號輸出。圖14.5DAC0832原理框圖和引腳排列圖

各引腳功能簡要說明如下：

(1)D0~D7：八位數(shù)字數(shù)據(jù)輸入，D7為最高位，D0為最低位。

(2)Iout1：模擬電流輸出端。

(3)Iout2：模擬電流輸出端，接地。

(4)Rf：若外接的集成運放電路增益小，則在該引出端與集成運放輸出端之間加接電阻；若外接的集成運放電路增益足夠大，則不必外接電阻，直接將該引出端與運放輸出端相連。

(5)Uref：基準參考電壓端，在+10V~-10V之間選擇。

14.1.3D/A轉(zhuǎn)換電路的主要技術(shù)指標

D/A轉(zhuǎn)換電路的主要技術(shù)指標有如下幾個。

(1)分辨率：指模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。

(2)轉(zhuǎn)換精度：是指實際輸出模擬電壓與理論輸出模擬電壓的最大誤差。

(3)轉(zhuǎn)換時間：指從輸入數(shù)字信號開始轉(zhuǎn)換到輸出的模擬電壓達到穩(wěn)定值時所需要的時間

14.2A/D轉(zhuǎn)換

14.2.1轉(zhuǎn)換步驟1.抽樣保持抽樣就是對模擬信號在有限個時間點上抽取樣值。圖14.6示出了A/D轉(zhuǎn)換電路框圖。圖14.6A/D轉(zhuǎn)換電路框圖

對圖14.6所示的這種保持電路來說，模擬信號源內(nèi)阻及模擬開關(guān)的接通電阻應(yīng)很小，它們與電容C組成的電路的時間常數(shù)應(yīng)非常小，以保證在模擬開關(guān)閉合期間，電容C上的電壓能跟蹤抽樣值變化。

保持電容后面接著由集成運放組成的跟隨器。這種跟隨器的輸入阻抗極大，電容上保持的電壓經(jīng)該阻抗的放電極少，不會造成影響。

圖14.7示出了從抽樣到保持的信號波形。t0、t1、…、t8時間點上的豎直線表示在該時刻的抽樣值，而階梯波表示抽樣值經(jīng)保持電路展寬以后的波形。圖14.7保持電路輸出波形

可以看出，當抽樣頻率足夠高的時候，保持電路輸出的階梯波就逼近原模擬信號。事實上，由數(shù)字信號恢復(fù)成模擬信號的時候，就是根據(jù)數(shù)字信號還原出這種形狀逼近原模擬信號的階梯波的。

為了使還原出來的模擬信號不失真，對抽樣頻率fs的要求為

式中，fmax是被抽樣的模擬信號所包含的信號中頻率最高的信號的頻率。

2.量化編碼

抽樣保持電路得到的階梯波的幅值有無限多個值，無法用位數(shù)有限的數(shù)字信號完全表達。我們可以選定一個基本單元電平，將其稱為基本量化單位。用基本量化單位對抽樣值

進行度量，如果在度量了n次后，還剩下不足一個基本量化單位的部分，就根據(jù)一定的規(guī)則，把剩余部分歸并到第n或第n+1個量化電平上去。這樣，所有的抽樣值都是有限個離散值集合之一。像這樣將抽樣值取整歸并的方式及過程就叫“量化”。將量化后的有限個整值編成對應(yīng)的數(shù)字信號的過程叫“編碼”。

14.2.2A/D轉(zhuǎn)換電路

1.逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換電路

圖14.8是三位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換電路。圖14.8三位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換電路

例14.2設(shè)輸入模擬信號uA的滿量程值為12V，用三位二進制編碼，碼值QAQBQC與uA之間的對應(yīng)關(guān)系如表14.1所示。

2.雙積分型A/D電路

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理電路如圖14.9所示，由積分器、比較器、二進制計數(shù)器及邏輯控制電路組成。所謂雙積分，是指積分器要用兩個極性不同的電源進行兩個不同方向的

積分。波形圖如圖14.10所示。圖14.9雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖圖14.10雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路的工作波形

3.集成A/D轉(zhuǎn)換電路

集成A/D轉(zhuǎn)換電路有很多種，下面以ADC0809為例進行介紹。

ADC0809內(nèi)部基本電路是逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換電路，其原理框圖及芯片引腳排列圖如圖14.11(a)、(b)所示。圖14.11ADC0809原理框圖和引腳圖

各主要引腳功能簡述如下：

(1)IN0~IN7：8路模擬信號輸入端。

(2)A2、A1、A0：8路模擬信號的地址碼輸入端。

(3)D0~D7：轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)字信號。

(4)START：啟動端。START下降沿時，A/D轉(zhuǎn)換開始進行。其負脈沖寬度應(yīng)不小于100ns，以保證逐位編碼的八位碼有足夠的時間徹底編好。

(5)ALE：通道地址鎖存信號輸入端。在ALE的上升沿鎖存地址輸入A2A1A0，正脈沖寬度持續(xù)時間應(yīng)不小于100n