第13章 555集成定时器与模拟量和数字量的转换12页.docx

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第13章555集成定时器与模拟量和数字量的转换

【重点】

555定时功能及特性；会用555定时器组成应用电路。

【难点】

555集成定时器构成单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器。

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；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。

13.1555集成定时器

13.1.1555集成定时器结构及其基本原理

1.555集成定时器电路的组成

（1）电阻分压器和电压比较器由三个等值电阻R和两个集成运放比较器A1、A2构成

将电源电压UCC分压取得比较器的输入参考电压，在CO端无外加控制电压时，比较器A1输入参考电压为2/3UCC，比较器A2输入参考电压为1/3UCC；CO端如有外加控制电压可改变参考电压值。

（2）基本RS触发器由两个比较器输出电位控制其状态

为触发器复位端，当

=0时，触发器反相输出

=1，使定时器输出uo=0，同时使VT导通。

（3）输出缓冲器和开关管由反相器和集电极开路的三极管VT构成

反相器用以提高负载能力并起到隔离作用；VT的集电极电流可达500mA，能驱动较大的灌电流负载。

555集成定时器可在较宽的电源电压范围（4.5～18V）内正常工作，但各输入端的信号电压不可超过电源电压值。

2.555集成定时器的基本工作原理

当CO端无外接控制电压时，555集成定时器的工作状态取决于复位端

、TH和

的状态。

（1）当

=0时，

=1，uo=0，VT饱和导通。

（2）当

=1且VTH>2/3UCC、V

>1/3UCC时，A1输出为0，A2输出为1，

=1，Q=0，uo=0，VT饱和导通。

（3）当

=1且VTH<2/3UCC、

>1/3UCC时，A1输出为1，A2输出为1，

、Q、uo不变，VT状态不变。

（4）当

=1且VTH<2/3UCC、

<1/3UCC时，A1输出为1，A2输出为0，

=0，Q=1，uo=1，VT截止。

13.1.2555集成定时器的应用

1.555集成定时器构成单稳态触发器

单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（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）以及延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。

单稳态触发器具有下列特点

（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，仅取决于电路本身的参数。

接通UCC后瞬间，UCC通过R对C充电，当uC上升到2/3UCC时，比较器A1输出为0，将触发器置0，uo=0。

这时

=1，放电管VT导通，C通过VT放电，电路进入稳态。

当ui到来时，因为ui<1/3UCC，使A2输出为0，触发器置1，uo由0变为1，电路进入暂稳态。

由于此时

=0，放电管VT截止，UCC经R对C充电。

虽然此时触发脉冲已消失，比较器A2的输出变为1，但充电继续进行，直到uC上升到2/3UCC时，比较器A1输出为0，将触发器置0，电路输出uo=0，VT导通，C放电，电路恢复到稳定状态。

此时输出脉冲宽度tP≈1.1RC，暂稳态的持续时间即脉冲宽度，由电路的阻容元件决定。

单稳态触发器的特性可以用于实现脉冲整形、脉冲定时等功能。

（1）脉冲整形

利用单稳态触发器能产生一定宽度的脉冲这一特性，可以将过窄的输入脉冲整形成固定宽度的脉冲输出。

（2）脉冲定时

2.555集成定时器构成多谐振荡器

多谐振荡器是一种能产生矩形脉冲波的自激振荡器，所以也称为矩形波发生器。

多谐振荡器没有稳态，但有两个暂稳态。

多谐振荡器工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号。

所以，多谐振荡器又称为无稳态电路。

电容C、电阻R1和R2作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形波正、负脉冲的宽度。

定时器的触发输入端（2脚）及阈值输入端（6脚）与电容C的非接地端相连；集电极开路输出端（7脚）接R1、R2相连处，用以控制电容C的充、放电；外接控制输入端（5脚）不用时，通过0.01μF的电容接地。

电路接通电源的瞬间，由于电容C来不及充电，uC=0V，上限阈值电压为UT+，下限阈值电压为UT-，555集成定时器状态为1，输出uo为高电位。

与此同时，由于集电极开路输出端（7脚）对地断开，电源UCC通过R1、R2开始向电容C充电，电路进入暂稳态Ⅰ阶段。

此后，电路按下列四个阶段周而复始地循环，从而产生周期性的输出脉冲。

（1）暂稳态Ⅰ阶段：

电源UCC通过R1、R2向电容C充电，uC按指数规律上升，在uC于上限阈值电压UT+（2/3UCC）之前，定时器暂时仍维持1状态，输出uo为高电位。

（2）翻转Ⅰ阶段：

电容C继续充电，当uC高于上限阈值电压UT+（2/3UCC）后，定时器翻转为0状态，输出uo变为低电位。

此时，集电极开路输出端（7脚）由对地断开变为对地导通。

（3）暂稳态Ⅱ阶段：

电容C开始经R2对地放电，uC按指数规律下降，在uC低于下限阈值电压UT-（1/3UCC）之前，定时器暂时仍维持0状态，输出uo为低电位。

（4）翻转Ⅱ阶段：

电容C继续放电，当uC低于下限阈值电压UT-（1/3UCC）后，定时器翻转为1状态，输出uo变为高电位。

此时，集电极开路输出端（7脚）由对地导通变为对地断开。

此后，振荡器又回复到暂稳态Ⅰ阶段。

多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充、放电回路的参数。

暂稳态Ⅰ阶段的维持时间，即输出uo的正向脉冲宽度为

t1=0.7（R1+R2）C

暂稳态Ⅱ阶段的维持时间，即输出uo的负向脉冲宽度为

t2=0.7R2C

振荡周期为

T=t1+t2=0.7（R1+2R2）C

振荡频率f=1/T。

正向脉冲宽度t1与振荡周期T之比称为矩形波的占空比q。

q=t1/（t1+t2）=（R1+R2）/（R1+2R2）

只要适当选取C的大小，即可通过调节R1、R2的值达到调节振荡器输出信号频率及占空比的目的。

由555集成定时器构成的多谐振荡器中，若定时器控制输入端不经电容接地，而是外加一个可变的电压源，则通过调节该电压源的值，可以改变定时器触发电位和阈值电位的大小。

外加电压越大，多谐振荡器输出脉冲周期越大，即频率越低；外加电压越小，多谐振荡器输出脉冲周期越小，即频率越高。

这样，多谐振荡器就实现了将输入电压大小转换成输出频率高低的电压-频率转换器的功能。

3.555集成定时器构成施密特触发器

施密特触发器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。

若UCO通过0.01μF的电容接地，则工作原理如下

（1）当ui=0时，由于比较器A1输出为1，A2输出为0，触发器置1，即Q=1，

=0，uo1=uo=1。

ui升高时，在未到达2/3UCC以前，uo1=uo=1的状态不会改变。

（2）当ui升高到2/3UCC时，比较器A1输出为0，A2输出为1，触发器置0，即Q=0，

=1，uo1=uo=0。

此后，ui上升到UCC，然后再降低，但在未到达1/3UCC以前，uo1=uo=0的状态不会改变。

（3）当ui下降到1/3UCC时，比较器A1输出为1，A2输出为0，触发器置1，即Q=1，

=0，uo1=uo=1。

此后，ui继续下降到0，但uo1=uo=1的状态不会改变。

改变控制电压UCO的大小，就可以改变下限阈值电压UT-和上限阈值电压UT+的大小。

回差电压（滞后电压）：

ΔUT=UT+-UT-

由于回差电压的存在，该电路具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强，可以实现波形变换、波形整形、幅度鉴别等功能。

【重点】

数/模转换、模/数转换原理，主要技术指标。

【难点】

常用数/模转换器、模/数转换器引脚、使用。

13.2模拟量和数字量的转换

13.2.1D/A转换器

1.D/A转换器的基本原理及主要技术指标

将输入的每一位二进制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。

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。

理想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

D/A转换器的主要技术指标有分辨率、转换精度、输出建立时间。

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（对应的输入数字量只有最低有效位为1）与最大输出电压（对应的输入数字量所有有效位全为1）的比值表示。

10位D/A转换器的分辨率为

D/A转换器的转换精度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。

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.D/A转换器的构成

（1）二进制权电阻网络D/A转换器

二进制权电阻网络D/A转换器不论模拟开关接到集成运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。

各支路电流分别为

输出电压的大小与输入数字量的状态和参考电压的大小有关。

（2）T型电阻网络D/A转换器

从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R，不论模拟开关接到集成运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。

各支路的电流分别为

合成电流为

集成运算放大器的输出电压

输出电压的大小与输入数字量的状态和参考电压的大小有关。

3.DAC0832

主要技术指标有

●分辩率8位；

●电流稳定时间1μs；

●可双缓冲，单缓冲或直接数字输入；

●只需在满量程下调整其线性度；

●单一电源供电（+5V～+15V）；

●低功耗，20mw。

DAC0832由三大部分组成：

一个八位输入寄存器、一个八位DAC寄存器和一个八位D/A转换器。

在D/A转换器中采用的是T型R-2R电阻网络。

DAC0832器件由于有两个可以分别控制的数据寄存器，使用时有较大的灵活性，可以根据需要接成多种工作方式。

13.2.2A/D转换器

1.A/D转换器的基本原理及主要技术指标

采样-保持电路

模拟电子开关S在采样脉冲的控制下重复接通、断开。

S接通时，ui（t）对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。

在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。

t0时刻S闭合，C被迅速充电，电路处于采样阶段。

由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uo=ui。

t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。

若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则C没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。

A/D转换器的主要技术指标有分辨率、相对精度、转换速度。

A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。

相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。

转换速度是指完成一次转换所需的时间。

转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。

2.逐次逼近型A/D转换器

转换开始前先将所有寄存器清零。

开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。

这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。

若ui>uo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui

然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较后确定这个1是否应该保留。

这样逐位比较下去，一直到最低位为止。

比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。

3.ADC0808、ADC0809