電工電子技術(shù) 課件 第12章 555集成定時器與模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

第12章555集成定時器與模擬量

和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換12.1555集成定時器

12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換實(shí)訓(xùn)12555集成電路的應(yīng)用12.1555集成定時器555定時器是一種多用途的單片中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器。因而在脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器和電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。12.1555集成定時器12.1.1555定時器電路的結(jié)構(gòu)及工作原理1.電路結(jié)構(gòu)國產(chǎn)雙極型定時器5G555的電路結(jié)構(gòu)如圖12-1所示。由電壓比較器C1、C2（包括電阻分壓器）、G1和G2組成的基本RS觸發(fā)器、集電極開路的放電管V和輸出緩沖級G3三部分組成。12.1555集成定時器2.工作原理C1和C2為兩個電壓比較器，它們的基準(zhǔn)電壓為Vcc經(jīng)3個5kΩ電阻分壓后提供。UR1=2/3Vcc為比較器C1的基準(zhǔn)電壓，TH（閾值輸入端）為其輸入端。UR2=1/3Vcc為比較器C2的基準(zhǔn)電壓，（觸發(fā)輸入端）為其輸入端。CO為控制端，當(dāng)外接固定電壓VCO時，則UR1=VCO、UR2=1/2VCO。

為直接置0端，只要

=0，輸出uo便為低電平，正常工作時，端必須為高電平。下面分析5G555的邏輯功能。

設(shè)TH和端的輸入電壓分別為uI1和uI2。5G555定時器的工作情況下: 當(dāng)uI1>UR1、uI2>UR2時,比較器C1和C2的輸出uC1=0、uc2=1,基本RS觸發(fā)器被置0，Q=0、下一頁返回12.1555集成定時器

=1，輸出uo=0，同時V導(dǎo)通。 當(dāng)uI1<UR1、uI2<UR2時，兩個比較器輸出uc1=1、uc2=0，基本ＲＳ觸發(fā)器置１，Ｑ＝１、

＝０，輸出uo=1，同時Ｖ截止。 當(dāng)uI1<UR1、uI2>UR2時，兩個比較器輸出uc1=1、uc2=1，基本ＲＳ觸發(fā)器保持原來狀態(tài)。3.555定時器的功能表綜上所述，定時器5G555的功能如表12-1所示：上一頁下一頁返回12.1555集成定時器12.1.2555定時器的應(yīng)用1.用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器將觸發(fā)器的閾值輸入端ui1和觸發(fā)輸入端ui2連在一起，作為觸發(fā)信號ui的輸入端，將輸出端（3端）作為信號輸出端，便可構(gòu)成一個反相輸出的施密特觸發(fā)器，電路如圖12-2所示。圖12-2中，R、VCC2構(gòu)成另一輸出端uo2，其高電平可以通過改變VCC2進(jìn)行調(diào)節(jié)。

電路工作原理：為了提高基準(zhǔn)電壓UR1和UR2的穩(wěn)定性，常在CO控制端對地接一個0.01μF的濾波電容。當(dāng)輸入uI<1/3VCC時，電壓比較器C1和C2的輸出uC1=1，uC2=0，基本RS觸發(fā)器置1，Q=1、

=0，這時輸出uO=uOH。上一頁下一頁返回12.1555集成定時器當(dāng)輸入1/3VCC<uI<2/3VCC時，C1和C2的輸出uC1=0、uC2=1，基本RS觸發(fā)器置0，Q=0、=1，輸出uO由高電平uOH躍到低平uOL，即uO=0。由以上分析可看出，在輸入uI上升到2/3VCC時，電路的輸出狀態(tài)發(fā)生躍變。因此，施密特觸發(fā)器的正向閾值電壓UT+=2/3VCC。此后，uI再增大時，對電壓的輸出狀態(tài)沒有影響。當(dāng)輸入uI由高電平逐漸下降，且1/3VCC<uI<2/3VCC時，兩個電壓比較器的輸出分別為uC1=1、uC2=1?；綬S觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。即Q=0、=1，輸出uO=uOL。當(dāng)輸入uI<1/3VCC時，uC1=1、uC2=0，觸發(fā)器置1，Q=1、=0，輸出uO由低電平躍到高電平uOH?？梢?，當(dāng)uI下降到1/3VCC時，電路輸出狀態(tài)又發(fā)生另一次躍變，所以，電路的負(fù)向閾值電壓UT–=1/3VCC。下一頁返回12.1555集成定時器由以上分析可得施密特觸發(fā)器的回差電壓△UT為△UT=UT+—UT–=1/3VCC2.用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器（1）電路組成將放電管V集電極經(jīng) R1接到VCC上，便組成了一個反相器。其輸出端⑦腳對地接R2、C積分電路，積分電容C再接②、⑥腳便組成了圖12-3所示的多諧振蕩器。R1、R2和C為定時元件。（2）工作原理接通電源VCC后，VCC經(jīng)電阻R1和R2對電容C充電，其電壓UC由0按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)UC≥2/3VCC時，電壓比較器C1和C2的輸出分別為uC1=0、uC2=1，基本RS觸發(fā)器被置0,Q=0，=1,輸出u0躍到低電平uOL。與此同時，放電管V導(dǎo)通，電容C經(jīng)電阻R2和放電管V放電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。上一頁下一頁返回12.1555集成定時器隨著電容C的放電，uC隨之下降。當(dāng)uC下降到uC≤1/3VCC時，則電壓比較器C1和C2的輸出為uC1=1、uC2=0，基本RS觸發(fā)器被置1，Q=1，=0，輸出u0由低電平UOL躍到高電平UOH。同時，因=0，放電管V截止，電源VCC又經(jīng)電阻R1和R2對電容C充電。電路又返回到前一個暫穩(wěn)態(tài)。因此，電容C上的電壓uC將在2/3VCC和1/3VCC之間來回充電和放電，從而使電路產(chǎn)生了振蕩，輸出矩形脈沖。由圖12-3可得多諧振蕩器的振蕩周期T為:T=tw1+tw2tw1為電容C上的電壓由1/3VCC充到2/3VCC所需的時間，充電回路的時間常數(shù)為（R1+R2）C。上一頁下一頁返回12.1555集成定時器tw1可用下式估算:tw1=(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)Ctw2為電容C上的電壓由2/3VCC下降到1/3VCC所需的時間，放電回路的時間常數(shù)為R2C。tw2可用下式估算:tw1=R2Cln2≈0.7R2C所以，多諧振蕩周期T為:T=tW1+tw2≈0.7(R1+2R2)C振蕩頻率為:f=1/T=1/0.7(R1+2R2)C（3）占空比可調(diào)的多諧振蕩器電路利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦?，把電容C充電和放電回路隔離開來，再加上一個電位器，便可構(gòu)成占空比可調(diào)的多諧振蕩器，如圖12-4所示。上一頁返回12.1555集成定時器在放電管截止時，電源VCC經(jīng)R1和VD1對電容C充電；當(dāng)V導(dǎo)通時，C經(jīng)VD2、R2和放電管V放電。調(diào)節(jié)電位器RW可改變R1和R2的比值。因此，也改變了輸出脈沖的占空比q。tw2=0.7R2C振蕩周期T為:T=tW1+tw2≈0.7(R1+2R2)C所以，占空比q為：q=tW1/(tW1+tw2)=0.7R1C/（0.7R1C+0.7R2C）=R1/（R1+R2）當(dāng)R1=R2時，則q=50%，多諧振蕩器輸出為方波。12.1555集成定時器3.用555定時器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1）電路組成及工作原理用555定時器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖12-5（a）所示。將555定時器的②腳作為觸發(fā)器信號uI的輸入端，V的集電極通過電阻R接VCC，組成了一個反相器，其集電極通過電容C接地，便組成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。R和C為定時元件。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理：(1)穩(wěn)定狀態(tài)沒有加觸發(fā)信號時，uI為高電平UIH。12.1555集成定時器接通電源后，VCC經(jīng)電阻R對電容C進(jìn)行充電，當(dāng)電容C上的電壓uC≥2/3VCC時,電壓比較器C1輸出uC1=0,而在此時，uI高電平，且uI>1/3VCC，電壓比較器C2輸出uC2=1,基本RS觸發(fā)器置0，Q=0，=1，輸出u0=0。與此同時，三極管V導(dǎo)通，電容C經(jīng)V迅速放完電，uC≈0，電壓比較器C1輸出UC1=1，這時基本RS觸發(fā)器的兩個輸入信號都為高電平1，保持0狀態(tài)不變。所以，在穩(wěn)定狀態(tài)時。uC=0、uO=0。(2)觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)輸入uI由高電平UIH躍到小于1/3VCC的低電平時，電壓比較器C2輸出uC2=0，由于此時uC=0，因此，uC1=1，基本RS觸發(fā)器被置1，Q=1，=0，輸出uO由低電平躍到高電平U0H。同時三極管V截止，這時，電源VCC經(jīng)R對C充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)期內(nèi)輸入電壓uI回到高電平。12.1555集成定時器(3)自動返回穩(wěn)定狀態(tài)隨著C的充電，電容C上的電壓uC逐漸增大。當(dāng)uC上升到uC≥2/3VCC時,比較器C1的輸出uC1=0，由于這uI已為高電平，電壓比較器C2輸出uC2=1，使基本RS觸發(fā)器置0，Q=0，=1,輸出uO由高電平UOH躍到低電平UOL。同時，三極管V導(dǎo)通，C經(jīng)V迅速放完電，UC=0。電路返回穩(wěn)定狀態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖寬度tw為暫穩(wěn)態(tài)維持的時間，它實(shí)際上為一電容C上的電壓由0V到充到2/3VCC所需的時間，可用下式估算tw=RCln3≈1.1RC12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換用計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時控制，其控制過程原理方框圖如圖12-6所示。由A/D轉(zhuǎn)換器把由傳感器采集來的模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，送計(jì)算機(jī)處理，當(dāng)計(jì)算機(jī)處理完數(shù)據(jù)后，把結(jié)果或控制信號輸出，由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，送執(zhí)行元件，對控制對象進(jìn)行控制?？梢?，ADC和DAC是數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)相互聯(lián)系的橋梁，是數(shù)字系統(tǒng)的重要組成部分。

上一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換12.2.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)1.D/A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理D/A轉(zhuǎn)換器用于將輸入的二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與該數(shù)字量成比例的電壓或電流。A/D轉(zhuǎn)換的原理有多種，但功能相同，如圖12-7所示。下面以倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A換器為例，介紹其工作原理。(1)倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A換器的組成框圖如圖12-8所示。圖中，數(shù)據(jù)鎖存器用來暫時存放輸入的數(shù)字量，這些數(shù)字量控制模擬電子開關(guān)，將參考電壓源UREF按位切換到電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)中變成加權(quán)電流，然后經(jīng)運(yùn)放求和，輸出相應(yīng)的模擬電壓，完成D/A轉(zhuǎn)換過程。

下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換如圖12-8所示為一個四位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電路原理圖（按同樣結(jié)構(gòu)可將它擴(kuò)展到任意位），它由數(shù)據(jù)鎖存器（圖中未畫）、模擬電子開關(guān)（S）、R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器（A）及基準(zhǔn)電壓UREF組成。模擬電子開關(guān)S3、S2、S1、S0分別受數(shù)據(jù)鎖存器輸出的數(shù)字信號D3、D2、D1、D0控制。當(dāng)某位數(shù)字信號為1時，相應(yīng)的模擬電子開關(guān)接至運(yùn)算放大器的反相輸入端（虛地）；若為0則接同相輸入端（接地）。圖12-8所示電路從UREF向左看，其等效電路如圖12-9所示，等效電阻為R，因此總電流I=UREF/R。上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換流入每個2R電阻的電流從高位到低位依次為I/2、I/4、I/8、I/16，流入運(yùn)算放大器反相輸入端的電流為所以運(yùn)算放大器的輸出電壓為若RF=R,則有推廣到n位DAC，則有上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換2.DAC的主要技術(shù)指標(biāo)目前DAC的種類比較多，制作工藝也不相同，按輸入字長可分為8位、10位、12位、及16位等；按輸出形式可分為電壓型和電流型等；按結(jié)構(gòu)可分為帶有數(shù)據(jù)鎖存器和無數(shù)據(jù)鎖存器兩類。不同類型的DAC在性能上的差異較大，適用的場合也不盡相同。因此，清楚DAC的一些技術(shù)參數(shù)是十分必要的。以下介紹DAC的一些主要技術(shù)指標(biāo)：(1)分辨率DAC的分辨率是反映DAC輸出模擬電壓的最小變化量。它與D/A轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制位數(shù)n有關(guān)。分辨率=

上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換它表示輸出滿量程電壓與2n的比值。例如，具有12位分辨率的DAC，如果轉(zhuǎn)換后滿量程電壓為5V，則它所能分辨的最小電壓為：

可見，n越大，分辨最小輸出電壓的能力也越強(qiáng),分辨率就越高。(2)轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是指DAC在整個工作區(qū)間實(shí)際輸出的模擬電壓值與理論輸出的模擬電壓值之差。顯然，這個差值越小，電路的轉(zhuǎn)換精度越高。(3)建立時間（轉(zhuǎn)換速度）建立時間是指DAC從輸入數(shù)字信號開始到輸出模擬電壓或電流達(dá)到穩(wěn)定值時所用的時間。上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換3.集成DAC舉例DAC0832是常用的集成DAC，它是用CMOS工藝制成的雙列直插式單片八位DAC，可以直接與Z80、8080、8085、MCS51等微處理器相連接。其主要特性：(1)分辨率為8位(2)電流穩(wěn)定時間1μs(3)可工作于單緩沖、雙緩沖、直通等工作方式下(4)只需在滿量程下調(diào)整其線性度(5)單一電源供電（+5V～+15V）(6)低功耗（20mW）DAC0832集成電路結(jié)構(gòu)框圖和管腳排列圖如圖12-10所示。

上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換DAC0832主要由一個八位輸入寄存器、一個八位DAC寄存器和一個八位D/A轉(zhuǎn)換器三大部分組成。它有兩個分別控制的數(shù)據(jù)寄存器，可以實(shí)現(xiàn)兩次緩沖，所以使用時有較大的靈活性，可根據(jù)需要接成不同的工作方式。DAC0832中采用的是倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)，無運(yùn)算放大器，是電流輸出，使用時需外接運(yùn)算放大器。芯片中已經(jīng)設(shè)置了Rfb,只要將9號管腳接到運(yùn)算放大器輸出端即可。但若運(yùn)算放大器增益不夠，還需外接反饋電阻。上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換DAC0832芯片上各管腳的名稱和功能說明如下：：片選信號，輸入，低電平有效。ILE

：輸入鎖存允許信號，輸入，高電平有效。：輸入數(shù)據(jù)寫選通信號，輸入，低電平有效。當(dāng)與同時有效時，將輸入數(shù)據(jù)裝入輸入寄存器。：DAC寄存器寫選通信號，輸入，低電平有效。當(dāng)與同時有效時，將輸入寄存器的數(shù)據(jù)裝入DAC寄存器。：數(shù)據(jù)傳送控制信號，輸入，低電平有效。D0～D7：八位輸入數(shù)據(jù)信號。IOUT1：DAC輸出電流1，與數(shù)字量的大小成正比。此輸出信號一般作為運(yùn)算放大器的一個差分輸入信號（一般接反相端）。上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換IOUT2

：DAC輸出電流2，與數(shù)字量的反碼成正比。Rfb：反饋電阻輸入引腳，反饋電阻在芯片內(nèi)部，可與運(yùn)算放大器的輸出直接相連。UREF：基準(zhǔn)電源的輸入。VCC：數(shù)字部分的電源輸入端，可在+5V到+15V范圍內(nèi)選取。DGND：數(shù)字電路地。AGND：模擬電路地。結(jié)合圖12-10(a)可以看出A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行各項(xiàng)功能時，對控制信號電平的要求如表12-2所示。上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換DAC0832在不同信號組合的控制下可實(shí)現(xiàn)三種工作方式：雙緩沖器型、單緩沖器型和直通型。如圖12-11所示。(1)雙緩沖器方式：如圖12-11(a)所示：首先，給一個負(fù)脈沖信號，將輸入數(shù)據(jù)先鎖存在輸入寄存器中。當(dāng)需要D/A轉(zhuǎn)換時，再給一個負(fù)脈沖信號，將數(shù)據(jù)送入DAC寄存器中并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這種工作方式稱為兩級緩沖方式。上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換(2)單緩沖器方式：如圖12-11(b)所示：接地，使DAC寄存器處于常通狀態(tài)，當(dāng)需要D/A轉(zhuǎn)換時，給一個負(fù)脈沖，使輸入數(shù)據(jù)經(jīng)輸入寄存器直接存入DAC寄存器中并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種工作方式稱為單緩沖方式，即通過控制一個寄存器的鎖存，達(dá)到使兩個寄存器同時選通及鎖存。(3)直通方式：如圖12-11（c）所示：和都接地，兩個寄存器都處于常通狀態(tài)，輸入數(shù)據(jù)直接經(jīng)兩寄存器到DAC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，故這種工作方式稱為直通方式。實(shí)際應(yīng)用時，要根據(jù)控制系統(tǒng)的要求來選擇工作方式。

上一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換12.2.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)1.ADC的基本工作原理A/D轉(zhuǎn)換器的功能是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。轉(zhuǎn)換過程通過取樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。模擬信號的大小隨著時間不斷地變化，為了通過轉(zhuǎn)換得到確定的值，對連續(xù)變化的模擬量要按一定的規(guī)律和周期取出其中的某一瞬時值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這個值稱為采樣值。采樣頻率一般要高于或至少等于輸入信號最高頻率的2倍，實(shí)際應(yīng)用中采樣頻率可以達(dá)到信號最高頻率的4～8倍。對于變化較快的輸入模擬信號，A/D轉(zhuǎn)換前可采用采樣保持器，使得在轉(zhuǎn)換期間保持固定的模擬信號值。相鄰兩次采樣的間隔時間稱為采樣周期。為了使輸出量能充分反映輸入量的變化情況，采樣周期要根據(jù)輸入量變化的快慢來決定，而一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間顯然必須小于采樣周期。

下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換(1)取樣和保持取樣（又稱抽樣或采樣）是將時間上連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為時間上離散的模擬信號，即轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖。其過程如圖12-12所示。圖中,Ui為模擬輸入信號，CP為取樣信號，Uo為取樣后輸出信號。取樣電路實(shí)質(zhì)上是一個受控開關(guān)。在取樣脈沖CP有效期τ內(nèi)，取樣開關(guān)接通，使Uo=Ui；在其他時間(TS-τ)內(nèi)，輸出Uo=0。因此，每經(jīng)過一個取樣周期，在輸出端便得到輸入信號的一個取樣值。為了不失真地用取樣后的輸出信號Uo來表示輸入模擬信號Ui，取樣頻率fS必須滿足fS≥2fmax(此式為取樣定理）。其中,fmax為輸入信號Ui的上限頻率（即最高次諧波分量的頻率）。上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換ADC把取樣信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號需要一定的時間，需要將這個斷續(xù)的脈沖信號保持一定時間以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如圖8-8(a)所示是一種常見的取樣保持電路，它由取樣開關(guān)、保持電容和緩沖放大器組成。在圖12-13(a)中，利用場效應(yīng)管做模擬開關(guān)，在取樣脈沖CP到來的時間τ內(nèi)，開關(guān)接通，輸入模擬信號Ui(t)向電容C充電，當(dāng)電容C的充電時間常數(shù)tC時，電容C上的電壓在時間τ內(nèi)跟隨Ui(t)變化。取樣脈沖結(jié)束后，開關(guān)斷開，因電容的漏電很小且運(yùn)算放大器的輸入阻抗又很高，所以電容C上電壓可保持到下一個取樣脈沖到來為止。運(yùn)算放大器構(gòu)成跟隨器，具有緩沖作用，以減小負(fù)載對保持電容的影響。在輸入一連串取樣脈沖后，輸出電壓Uo(t)波形如圖12-13（b）所示。上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換(2)量化和編碼輸入的模擬信號經(jīng)取樣—保持后，得到的是階梯形模擬信號。必須將階梯形模擬信號的幅度等分成n級，每級規(guī)定一個基準(zhǔn)電平值，然后將階梯電平分別歸并到最鄰近的基準(zhǔn)電平上。圖8-9中兩種量化編碼方法的比較稱為量化。量化中的基準(zhǔn)電平稱為量化電平，取樣保持后未量化的電平Uo值與量化電平Uq值之差稱為量化誤差δ，即δ=Uo-Uq。量化的方法一般有兩種：只舍不入法和有舍有入法（或稱四舍五入法）。用二進(jìn)制數(shù)碼來表示各個量化電平的過程稱為編碼。圖12-14表示了兩種不同的量化編碼方法。上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換ADC可分為直接ADC和間接ADC兩大類。在直接ADC中，輸入模擬信號直接被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，如計(jì)數(shù)型ADC、逐次逼近型ADC和并行比較型ADC等，其特點(diǎn)是工作速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。而在間接ADC中，輸入模擬信號先被轉(zhuǎn)換成某種中間變量（如時間、頻率等），然后再將中間變量轉(zhuǎn)換為最后的數(shù)字量，如單次積分型ADC、雙積分型ADC等，其特點(diǎn)是工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強(qiáng)，一般在測試儀表中用得較多。下面介紹常用的逐次逼近型ADC和一種常用的集成電路組件。上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換2.逐次逼近型ADC逐次逼近型ADC的結(jié)構(gòu)框圖如圖12-15所示，包括四個部分：比較器、DAC、逐次逼近寄存器和控制邏輯。逐次逼近型ADC是將大小不同的參考電壓與輸入模擬電壓逐步進(jìn)行比較，比較結(jié)果以相應(yīng)的二進(jìn)制代碼表示。轉(zhuǎn)換前先將寄存器清零。轉(zhuǎn)換開始后，控制邏輯將寄存器的最高位置為1，使其輸出為100…0。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓Uo,送到比較器與輸入Ui進(jìn)行比較。若Uo＞Ui，說明寄存器輸出數(shù)碼過大，故將最高位的1變成0，同時將次高位置1；若Uo≤Ui,說明寄存器輸出數(shù)碼還不夠大，則應(yīng)將這一位的1保留，依次類推將下一位置1進(jìn)行比較，直到最低位為止。上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換3.ADC的主要技術(shù)指標(biāo)(1)分辨率ADC的分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號的分辨能力。常以輸出二進(jìn)制碼的位數(shù)n來表示。分辨率=式中，F(xiàn)SR是輸入的滿量程模擬電壓。(2)轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間是從接到模擬信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)歷的時間。轉(zhuǎn)換時間越短，說明轉(zhuǎn)換速度越高。(3)相對精度在理想情況下，所有的轉(zhuǎn)換點(diǎn)應(yīng)在一條直線上。相對精度是指實(shí)際的各個轉(zhuǎn)換點(diǎn)偏離理想特性的誤差，一般用最低有效位來表示。

上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換4.集成ADC舉例ADC0809是常見的集成ADC。它是由美國NS公司生產(chǎn)的，采用CMOS工藝制成的八位八通道單片A/D轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近型ADC，片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器，可以直接與微機(jī)總線相連接。該芯片有較高的性能價格比，適用于對精度和采樣速度要求不高的場合或一般的工業(yè)控制領(lǐng)域。由于其價格低廉，便于與微機(jī)連接，因而應(yīng)用十分廣泛。1)ADC0809主要技術(shù)指標(biāo)︰（1）分辨率為8位；（2）總的非調(diào)整誤差為±1LSB；（3）增益溫度系數(shù)為0.02％；（4）低功耗電量為20mW；上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換（5）單電源+5V供電，基準(zhǔn)電壓由外部提供，典型值為+5V，此時允許模擬量輸入范圍為0–5V；（6）轉(zhuǎn)換速度約1μs，轉(zhuǎn)換時間為100μs（時鐘頻率為640kHz）；（7）具有鎖存控制功能的8路模擬開關(guān)，能對8路模擬電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換；（8）輸出電平與TTL電平兼容。ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖及管腳排列圖如圖12-16所示。它由八路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、ADC、三態(tài)輸出鎖存緩沖器組成。上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換芯片上各引腳的名稱和功能如下：IN0～I(xiàn)N7：八路單端模擬輸入電壓的輸入端。UR(+)、UR(-)：基準(zhǔn)電壓的正、負(fù)極輸入端。由此輸入基準(zhǔn)電壓，其中心點(diǎn)應(yīng)在UCC/2附近，偏差不應(yīng)超過0.1V。START：啟動脈沖信號輸入端。當(dāng)需啟動A/D轉(zhuǎn)換過程時，在此端加一個正脈沖，脈沖的上升沿將所有的內(nèi)部寄存器清零，下降沿時開始A/D轉(zhuǎn)換過程。ADDA、ADDB、ADDC：模擬輸入通道的地址選擇線。ALE：地址鎖存允許信號，高電平有效。當(dāng)ALE=1時，將地址信號有效鎖存，并經(jīng)譯碼器選中其中一個通道。CLK：時鐘脈沖輸入端。

上一頁下一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換D0～D7：轉(zhuǎn)換器的數(shù)碼輸出線，D7為高位，D0為低位。OE：輸出允許信號，高電平有效。當(dāng)OE=1時，打開輸出鎖存器的三態(tài)門，將數(shù)據(jù)送出。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，高電平有效。在START信號上升沿之后1～8個時鐘周期內(nèi)，EOC信號輸出變?yōu)榈碗娖?，?biāo)志轉(zhuǎn)換器正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束，所得數(shù)據(jù)可以讀出時，EOC變?yōu)楦唠娖?，作為通知接受?shù)據(jù)的設(shè)備取該數(shù)據(jù)的信號。結(jié)合圖12-16電路框圖可將ADC0809的工作時序總結(jié)如圖12-17所示。實(shí)際應(yīng)用中的ADC還有很多種，讀者可根據(jù)需要選擇模擬輸入量程、數(shù)字量輸出位數(shù)均合適的A/D轉(zhuǎn)換器。現(xiàn)將常見集成ADC列于表12-2中。上一頁返回12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換2)ADC0809的典型應(yīng)用數(shù)據(jù)采集是現(xiàn)代高新技術(shù)中信息獲取的主要手段，在現(xiàn)代工業(yè)控制、數(shù)字化測量及實(shí)時控制等領(lǐng)域占有相當(dāng)主要的地位。一般由集成ADC與單片機(jī)構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由ADC0809構(gòu)成的采集系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖12-16所示。系統(tǒng)由傳感器、A/D部分、單片機(jī)部分三部分組成。選擇傳感器把被測物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)電路放大后，直接與8個模擬輸入端連接。ADC0809與單片機(jī)的接口電路如圖12-16所示。12.2模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換ADC0809轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)據(jù)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)P0口連接，8個模擬輸入通道的地址由P2.2、P2.1和P2.0確定，地址鎖存信號ALE、啟動信號START及輸出允許信號OE分別由單片機(jī)讀寫信號和P1.0通過或非來控制。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC可采用兩種接法；如果利用程序查詢方式判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，可直接與單片機(jī)的某一端口連接；如果采用中斷方式，可直接與單片機(jī)的中斷輸入端和連接。中斷方式的優(yōu)點(diǎn)是在A/D轉(zhuǎn)換期間單片機(jī)可以去執(zhí)行別的指令完成其他工作。接口電路確定之后，采集過程就可確定，采集過程由單片機(jī)程序來完成。實(shí)訓(xùn)12555集成電路的應(yīng)用1.實(shí)訓(xùn)目的（1）熟悉555型集成時基電路結(jié)構(gòu)、工作原理及其特點(diǎn)（2）掌握555型集成時基電路的基本應(yīng)用2.實(shí)訓(xùn)設(shè)備與器件3.實(shí)訓(xùn)內(nèi)容1）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2）多諧振蕩器3）施密特觸發(fā)器4）模擬聲響電路4.實(shí)訓(xùn)預(yù)習(xí)要求5.實(shí)訓(xùn)報告實(shí)訓(xùn)12555時基電路及其應(yīng)用1.實(shí)訓(xùn)目的（1）熟悉555型集成時基電路結(jié)構(gòu)、工作原理及其特點(diǎn)（2）掌握555型集成時基電路的基本應(yīng)用2.實(shí)訓(xùn)設(shè)備與器件（1）＋5V直流電源（2）雙蹤示波器（3）連續(xù)脈沖源（4）單次脈沖源（5）音頻信號源（6）數(shù)字頻率計(jì)

（7）邏輯電平顯示器（8）555×22CK13×2電位器、電阻、電容若干3.實(shí)訓(xùn)內(nèi)容1）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(1)按圖J12－1連線，取R＝100K，C＝47μf，輸入信號vi由單次脈沖源提供，用雙蹤示波器觀測vi，vC，vO波形。測定幅度與暫穩(wěn)時間。

實(shí)訓(xùn)12555時基電路及其應(yīng)用(2)將R改為1K，C改為0.1μf，輸入端加1KHz的連續(xù)脈沖，觀測波形vi，vC，vO，測定幅度及暫穩(wěn)時間。2）多諧振蕩器(1)按圖J12－2接線，用雙蹤示波器觀測vc與vo的波形，測定頻率。(2)按圖12－3接線，組成占空比為50％的方波信號發(fā)生器。觀測vC，vO波形，測定波形參數(shù)。(3)按圖J9－4接線，通過調(diào)節(jié)RW1和RW2來觀測輸出波形。3）施密特觸發(fā)器按圖J12－5接線，輸入信號由音頻信號源提供，預(yù)先調(diào)好vS的頻率為1KHz，接通電源，逐漸加大vS的幅度，觀測輸出波形，測繪電壓傳輸特性，算出回差電壓△U。4）模擬聲響電路按圖J12－6接線，組成兩個多諧振蕩器，調(diào)節(jié)定時元件，使實(shí)訓(xùn)12555時基電路及其應(yīng)用(2)將R改為1K，C改為0.1μf，輸入端加1KHz的連續(xù)脈沖，觀測波形vi，vC，vO，測定幅度及暫穩(wěn)時間。2）多諧振蕩器(1)按圖J12－2接線，用雙蹤示波器觀測vc與vo的波形，測定頻率。(2)按圖12－3接線，組