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1、项目三 时钟电路的设计与测试 任务1：555定时器功能分析及测试 任务2：时钟电路的设计和测试 任务3：脉冲整形电路的设计和测试 任务4：A/D和D/A电路的了解,任务1：555定时器功能分析及测试,一、555定时器的特点、分类、引脚二、555定时器的电路组成三、555定时器的功能分析,在数字系统中，获得时钟脉冲信号(矩形波）的方法主要有两种：（1）利用多谐振荡器直接产生；（2）利用施密特触发器和单稳态触发器构成的整形电路对已有信号进行整形、变换得到。,常见的几种脉冲信号波形,矩形脉冲波形的主要参数,Vm,tw,T,tf,Vm：脉冲幅度,tw：脉冲宽度,T：脉冲周期,tr：上升时间,tf：下降
2、时间,tr：上升时间,tr,占空比q=tw/T通常用百分比表示,555定时器简介,1.555定时器（时基电路）是一种用途广泛的模拟数字混合集成电路。1972年由西格尼蒂克斯公司（Signetics）研制；设计新颖、构思奇巧，备受电子专业设计人员和电子爱好者青睐。2.555定时器只要其外部配接少量阻容元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。,一、555定时器的特点、分类、引脚,按内部元件分：双极型内部采用晶体管 单极型内部采用场效应管 按单片电路中包含定时器的个数分：单时基 双时基,常见的555定时器的型号：5G555单时基双极型 CC755单时基CMOS型 5G556双时基双极型
3、CC756双时基CMOS型,典型封装,二、555定时器的电路组成,内部电路,地,低触发端,高触发端,放电端,电源端,清零端,输出端,电压控制端,符号图,7 6 55G5551 2 3 4,VDD,D,TH,S,管脚排列,GND,TR,OUT,R,555定时器主要由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器和放电开关、输出缓冲等部分构成。,1分压器,由个的电阻串联组成。,为控制端,若通过.电容接地，则,若S外加控制电压Us，则,2比较器,UTHUR1时，Uo1=0(R=0)；UTHUR1时，Uo1=1（R=1)。,UR2时，Uo2=1（S=1）；,UR2时，Uo2=0（S=0）。,比较器是由两个结构
4、相同的集成运放A1、A2构成的。,集成运放A1输出为Uo1集成运放A2输出为Uo2,3基本RS触发器,它由两个与非门组成，其输出状态Q取决于两个比较器的输出。,为直接复位端,=0，则无论触发器是什么状态，将强行复位，使Q=0,4放电开关及输出缓冲,输出缓冲：提高电流驱动能力，隔离负载对定时器的影响。,缓冲器由G3构成，V是集电极开路的三极管，相当于一个受控电子开关。,三、555定时器的功能分析,1.R=0，输出为低电平，D通过V导通,2.R=1，S通过.电容接地,1）UTH,，Uo1=0(R=0)，,，Uo2=1（S=1）,Q=0，OUT为低电平，D与地导通；,2）UTH,，Uo1=1(R=1
5、)，,，Uo2=1（S=1）,保持,3）UTH,，Uo1=1(R=1)，,，Uo2=0（S=0）,Q=1，OUT为高电平，V管截止。,3.R=1，S外接电压US时,1/2US，,1/2US，保持，,1/2US，,UTHUS，,UTHUS，,OUT为低电平，D与地导通；,UTHUS，,OUT为高电平，V管截止。,功能表：,四、555定时器的主要参数,从上表可见：(1)二者的工作电源电压范围不同。(2)双极型定时器输入输出电流较大，驱动能力强，可直接驱动负载，适宜于有稳定电源的场合使用。(3)单极型定时器输入阻抗高，工作电流小，功耗低且精度高，多用于需要节省功耗的领域。注意：CMOS型定时器在储存
6、、使用中要防止静电危害，注意多余输入端的处理，而双极型定时器则不必考虑这些因素。,555定时器功能测试,测试电路,任务2：时钟电路的设计和测试,一、多谐振荡器的特点二、多谐振荡器的组成三、多谐振荡器的原理,一、多谐振荡器的特点,能产生矩形脉的自激振荡器，是一种无稳态电路，两个暂稳态交替变换。,多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，无需外触发。输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的谐波分量，故称作多谐振荡器。,假设电容C初始电压为零，在接通直流电源VDD瞬间，UTH=uC=0V，则OUT=1，即第一暂稳态，内部放电管V截止，电源U
7、DD经R1、R2对电容C充电，电容电压逐渐上升。当uC达到2/3UDD时，输出由1跳变为0，电路进入第二暂稳态，同时V管导通，使电容C通过R2及V管放电，uC下降。当uC下降至1/3UDD时，输出又由0跳变为1，电路又回到第一暂稳态，同时V管截止，C又重新充电。,二、多谐振荡器的组成,三、多谐振荡器的原理,振荡周期,充电时间t1=0.7（R1+R2）C放电时间t2=0.7R2C,周期T=t1+t2=0.7（R1+2R2）C 频率f=1/T占空比q=t1/T=(R1+R2)/(R1+2R2)50%,充电回路为UDDR1VD2C地，放电回路为CVD1R2放电管V地，周期T=0.7（R1+R2）C占
8、空比q=t1/T=R1/(R1+R2)可用电位器调节占空比,改进电路,其它多谐振荡器,任务3：脉冲整形电路的设计和测试,一、单稳态触发器二、施密特触发器,一、单稳态触发器,特点）它有一个稳态和一个暂稳态；）无外加触发脉冲时，电路保持稳态；在外加触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态；在暂稳态维持一段时间后，将自动返回稳态，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外加触发信号无关。例：楼道的路灯。,2.电路组成,3.工作原理,稳态：当未加输入脉冲时，ui为高电平，即,接通直流电源UDD后，C经电阻R充电。当uC上升至2/3UDD时，输出为0，内部放电管V导通，C通过放电管迅速放电，直到uC=
9、0。此时，因UTH2/3UDD，电路保持原稳态0不变。,1/3UDD。,暂稳态：当加入负脉冲时，,且UTH=0，则输出由0翻转为1。V管截止，暂稳态开始。负脉冲消失，ui恢复为高电平，电源经R对C充电，UTH（=uC）按指数规律上升。当UTH=uC2/3UDD时，维持1态不变，这一阶段电路处于暂稳态。当UTH=uC上升到2/3UDD时，电路由暂稳态1自动返回稳态0，V管由截止变为导通，C快速放电至0。,暂稳态：当加入负脉冲时，,=ui1/3UDD，,.暂稳态时间输出脉冲时间,tW=1.1RC,5典型应用1）定时、延时,单稳态触发器能够产生一定宽度tw的矩形脉冲，利用这个脉冲去控制某一电路，则可
10、使它在tw时间内动作(或者不动作)。,uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间。,2）分频,压控振荡器,自举式锯齿波产生器,二、施密特触发器,1.特性,1）把变化十分缓慢的不规则的波形变换为数字电路所需的矩形脉冲，属电平触发，其维持和转换完全取决于输入电压的大小。2）输入电压增大或减小时，电路具有不同的阈值电压UT+、UT-（UT+为上限阈值电压，UT-为下限阈值电压），两者之差为回差电压UT。,施密特触发器在两个稳定状态,2.电路组成,3.工作原理,设输入为正弦波，其幅度大于UR1=2/3UDD,3.工作原理,ui从0开始上升，当0ui1/3UDD时，输出为1；当1/3UDDui2/3UD
11、D时，输出保持1不变；当ui2/3UDD时，电路状态发生翻转，输出由1变为0；,上限阈值电压为2/3UDD，负向阈值电压为1/3UDD，回差电压为：UT=UR1-UR2=2/3UDD-1/3UDD=1/3UDD,ui由大开始变小时，1/3UDDui2/3UDD时，输出保持0不变；当ui1/3UDD时，电路状态再次发生翻转，输出由0变为1。,若控制端S外接控制电压US，UR1=US，而UR2=1/2US，UT=1/2US,.典型应用,）波形变换,将输入的三角波、正弦波等变为对应的矩形波,）幅度鉴别,将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些幅度大于UT+的脉冲才会在输出端产生输
12、出信号。可见，施密特触发器具有脉冲鉴幅能力。,）脉冲整形,在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，或者边沿产生振荡等。通过施密特触发器整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。,波形畸变,任务4：A/D和D/A电路的了解,一、数/模转换器二、模/数转换器,传感器(温度、压力、流量等模拟量）,A/D,计算机（数字量）,显示器,D/A,执行部件（模拟量控制）,打印机,能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。,能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模转换器，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.,ADC和
13、DAC的应用：,一、数/模转换器,D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。,D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。,1、数/模转换的概念,2、DAC的主要参数,（1）分辨率,DAC的分辨率是说明DAC输出最小电压的能力。它是指最小输出电压（对应的输入数字量仅最低位为1）与最大输出电压（对应的输入数字量各有效位全为1）之比：,式中,n表示输入数字量的位数。可见，n越大，分辨最小输出电压的能力也越强。,例如，n=8,DAC的分辨率为,（2）转换精度,转换精度是指DAC实际输出模拟电压值与理论输出模拟电压值之差。显然，这个
14、差值越小，电路的转换精度越高。,（3）建立时间（转换速度）,建立时间是指DAC从输入数字信号开始到输出模拟电压或电流达到稳定值时所用的时间。,3、倒T型数/模转换电路,参考电压UREF供出的总电流为：,分流：流入求和点的各支路电流为：,流入每个2R电阻的电流从高位到低位依次为I/2、I/4、I/8、I/16，流入运算放大器反相输入端的电流为,所以运算放大器的输出电压为,若RF=R,则有,推广到n位DAC，则有,例1 如图8.3所示，若=10V，求对应D3D2D1D0分别为1010、0110和1100时输出电压值。（对应D3D2D1D0为0110和1100时自行练习。),解 当D3D2D1D0=
15、1010时，,倒T型电阻网络D/A转换器的特点：优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如8位D/A转换器DAC0832，就是采用倒T型电阻网络。,4、集成DAC0832认识,1）DAC0832结构框图,它由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器三大部分组成，D/A转换器采用了倒T型R-2R电阻网络。,2）DAC0832引脚功能,DI7DI0：8位输入数据信号。,Rfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832中无运放，且为电流输出，使用
16、时须外接运放。芯片中已设置了Rfb，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须外加反馈电阻。,任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的“地”，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，由于噪声容限较高，通常是不需要考虑“地”的形式的，但对于模拟电路而言，这个不同地方的“地”对测量的精度是构成影响的，因此，通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分开布线，只在板中的一点把它们连接起来。,3.DAC0832特性参数,分辨率：8位建立时间：1s增益温度系数：20ppm/（ppm-百万分之一，10-6）输入电平：TTL功耗：20mW,4.DAC0832工作方式,当ILE、CS和W
17、R1同时有效时，输入数据DI7DI0进入输入寄存器；并在WR1的上升沿实现数据锁存。当WR2和XFER同时有效时，输入寄存器的数据进入DAC寄存器；并在WR2的上升沿实现数据锁存。八位D/A转换电路随时将DAC寄存器的数据转换为模拟信号（IOUT1+IOUT2）输出。DAC0832 的使用有双缓冲器型、单缓冲器型和直通型三种工作方式。,DAC0832的三种工作方式,（b）单缓冲方式：适合在不要求多片D/A同时输出时。此时只需一次写操作，就开始转换，提高了D/A的数据吞吐量。,（a）双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通
18、道D/A的同步转换输出。,（c）直通方式：输出随输入的变化随时转换。,二、模/数转换器,数字电路,模拟量对象,A/D转换器（ADC）:将模拟量转换为数字量。通常要经过四个步骤：采样、保持、量化和编码。,1、模/数转换的概念,1）取样和保持,所谓取样，就是将一个时间上连续变化的模拟量转化为时间上离散变化的模拟量。,2）量化和编码,将采样电平归化为与之接近的离散数字电平，这个过程称作量化。由零到最大值（MAX）的模拟输入范围被划分为n个值，称为量化阶梯。而相邻量化阶梯之间的中点值称为比较电平。,2、模/数转换的主要参数,（1）分辨率,ADC的分辨率指/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。常以输出二进
19、制码的位数n来表示。,式中，FSR是输入的满量程模拟电压。所以，A/D转换器的分辨率是指ADC可以分辨的最小模拟电压。例如，输入的模拟电压满量程为10V，八位ADC可以分辨的最小模拟电压是10/28=37.06mV,而同量程10位ADC可以分辨的最小模拟电压是10/210=9.76 mV。可见ADC的位数越多，它的分辨率就越高。,（2）转换速度,转换速度是指完成一次/D转换所需的时间。转换时间是从接到模拟信号开始，到输出端得到稳定的数字信号所经历的时间。转换时间越短，说明转换速度越高。双积分型ADC的转换速度最慢需几百毫秒左右；逐次逼近型ADC的转换速度较快，需几十微秒；并联型ADC的转换速度
20、最快，仅需几十纳秒时间。,（3）相对精度,它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。,3、逐次逼近型模/数转换电路,逐次逼近型ADC的结构框图如图所示，包括四个部分：比较器、DAC、逐次逼近寄存器和控制逻辑。,四位逐次比较型ADC原理框图,四位逐次比较型ADC转换时序波形,4、集成ADC0809认识,ADC0809是一个8位8通道的AD转换器。,IN0IN7：8路模拟电压输入。ADDC、ADDB、ADDA：3位地址信号。ALE：地址锁存允许信号输入，高电平有效。D7D0（2-12-8）：8位二进制数码输出。OE：输出允许信号，高电平有效。即当OE=1时，打开输出锁存器的三态门，将数据送出。UR(+)和UR(-)：基准电压的正端和负端。,ADC0809引脚功能,CLK：时钟脉冲输入端。一般在此端加500kHz的时钟信号。START：A/D转换启动信号，为一正脉冲。在START的上升沿将逐次比较寄存器SAR清0，在其下降沿开始A/D转换过程。EOC：转换结束标志输出信号。在START信号上升沿之后 EOC信号变为低电平；当转换结束后，EOC变为高电平。此信号可作为向CPU发出的中断请求信号。,
