數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)（第四版）課件 第8、9章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換、脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形

第8章數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換8.1概述8.2D/A轉(zhuǎn)換器8.3A/D轉(zhuǎn)換器

8.1概述

我們把將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的電路或器件稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，又

稱D/A轉(zhuǎn)

換

器

或DAC；將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的電路或器件稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，又稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。

為了保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器必須有足夠的精度，同時(shí)，為了適應(yīng)快速過(guò)程的控制和檢測(cè)的需要，D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器還必須有足夠快的轉(zhuǎn)換速度。因此，轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度成為衡量D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)。

目前常見的D/A轉(zhuǎn)換器有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器等幾種類型。

A/D轉(zhuǎn)換器的類型也有多種，可分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器兩大類。在常見的直接A/D轉(zhuǎn)換器中，又有并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器和反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器兩類。目前使用的間接A/D轉(zhuǎn)換器大多都屬于電壓/時(shí)間變換型，如雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。

8.2D/A轉(zhuǎn)換器

8.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

1.電路組成圖8-1所示為4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖。它由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)20R、21R、22R、23R(R

為基準(zhǔn)電阻)，電子模擬開關(guān)S0、S1、S2、S3，基準(zhǔn)電源(UREF)及求和運(yùn)算放大器組成。

圖8-1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

2.工作原理

下面分析圖8-1所示權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓和輸入數(shù)字信號(hào)之間的關(guān)系。在假設(shè)運(yùn)算放大器輸入電流為零的條件下可以得到:

取RF=R/2，則得到

對(duì)于n

位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取為R/2時(shí)，輸出電壓的計(jì)算公式可寫成:

上式表明，輸出的電壓正比于輸入的數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。

【例8.1】

在圖8-1所示權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，設(shè)UREF=-8V，RF=R/2，試求:

(1)當(dāng)輸入數(shù)字量d3d2d1d0=0001時(shí)的輸出電壓。

(2)當(dāng)輸入數(shù)字量d3d2d1d0=0101時(shí)的輸出電壓。

(3)當(dāng)輸入為最大數(shù)字量時(shí)的輸出電壓。

權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所用的電阻元件數(shù)較少。它的缺點(diǎn)是各個(gè)電阻的阻值相差比較大，尤其是在輸入信號(hào)的位數(shù)較多時(shí)，這個(gè)問(wèn)題更突出。例如當(dāng)輸入信號(hào)增加到8位時(shí)，如果取權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)中最小的電阻為R=10kΩ，那么最大的電阻阻值將達(dá)到27R(=1.28MΩ)，兩者相差128倍之多。要想在極為寬廣的阻值范圍內(nèi)保證每個(gè)電阻都有很高的精度是十分困難的，尤其對(duì)制作集成電路不利。為了克服權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中電阻阻值相差太大的缺點(diǎn)，常采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。

8.2.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

1.電路組成

圖8-2所示為4位R-2R

倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖。和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器相比，除電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈倒T型外，電阻網(wǎng)絡(luò)中只有R、2R

兩種阻值的電阻，這就給集成電路的設(shè)計(jì)和制作帶來(lái)了很大的便利。

圖8-2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

2.工作原理

電子模擬開關(guān)S0~S3

受輸入數(shù)字信號(hào)d0~d3

控制。當(dāng)di=1時(shí)，Si

接求和運(yùn)算放大器的虛地端；當(dāng)di=0時(shí)，Si

接地?？梢?，無(wú)論輸入數(shù)字信號(hào)為0還是為1，即無(wú)論各電子模擬開關(guān)接“0”端還是接“1”端，各支路的電流都直接流入地或流入求和運(yùn)算放大器的虛地端，所以對(duì)于倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，各2R

電阻的上端相當(dāng)于接地。

由圖8-2可知，基準(zhǔn)電壓UREF對(duì)地電阻為R，其流出的電流i=UREF/R

是固定不變的，而每個(gè)支路的電流依次為I/2、I/4、I/8、I/16，因此，流入求和運(yùn)算放大器的電流IΣ

為

在求和運(yùn)算放大器的反饋電阻阻值RF

等于R

的條件下輸出電壓為

對(duì)于n

位輸入的倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，在求和運(yùn)算放大器的反饋電阻阻值為R的條件下，輸出的模擬電壓的計(jì)算公式為

由上式可看出，輸出電壓和輸入數(shù)字量呈正比關(guān)系。由于不論電子模擬開關(guān)接“0”端還是接“1”端，電阻2R

的上端總是接地或接求和運(yùn)算放大器的虛地端，因此流經(jīng)2R

支路上的電流不會(huì)隨開關(guān)狀態(tài)的變化而改變，它不需要建立時(shí)間，所以電路的轉(zhuǎn)換速度提高了。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的電阻數(shù)量雖比權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)多，但它只有R

和2R

兩種阻值，因而克服了權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻阻值多，差別大的缺點(diǎn)，便于集成化。因此，R-2R

倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器得到了廣泛的應(yīng)用。

8.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器

1.電路組成

圖8-3所示為4位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖。它由權(quán)電流源(I/16、I/8、I/4、I/2)，電子模擬開關(guān)S0、S1、S2、S3，基準(zhǔn)電源(UREF)及求和運(yùn)算放大器組成。

電子模擬開關(guān)S0~S3受輸入數(shù)字信號(hào)d0~d3

控制，如果第i位數(shù)字信號(hào)di=1，則相應(yīng)的開關(guān)Si

將權(quán)電流源接至求和運(yùn)算放大器的反相輸入端；若di=0，則相應(yīng)的開關(guān)將電流源接地。

圖8-3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器

恒電流源電路經(jīng)常使用圖8-4所示的電路結(jié)構(gòu)形式。只要在電路工作時(shí)UB

和UEE

穩(wěn)定不變，三極管的集電極電流就可保持恒定，不受開關(guān)內(nèi)阻的影響。電流的大小近似為

圖8-4權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中的電流源

2.工作原理

在權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中，有一組恒電流源，每個(gè)恒電流源的大小依次為前一個(gè)的1/2，和二進(jìn)制輸入代碼對(duì)應(yīng)的權(quán)呈正比。

輸出電壓為

8.2.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.分辨率

分辨率是指輸入數(shù)字量的最低有效位為1時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出可分辨的電壓變化量ΔU

與最大輸出電壓Um

之比，即

例如，10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可以表示為

分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入量的微小變化的反應(yīng)就越靈敏。

2.轉(zhuǎn)換精度

轉(zhuǎn)換精度是實(shí)際輸出值與理論計(jì)算值之差。這種差值由轉(zhuǎn)換過(guò)程的各種誤差引起，主要是靜態(tài)誤差。它包括:

(1)非線性誤差。它是由電子開關(guān)導(dǎo)通的電壓降和電阻網(wǎng)絡(luò)電阻值偏差產(chǎn)生的，常用滿刻度的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。

(2)比例系數(shù)誤差。它是參考電壓UREF的偏離引起的誤差。以圖8-2的倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器為例，如果UREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值ΔUREF，則輸出將產(chǎn)生誤差電壓:

這個(gè)結(jié)果說(shuō)明，由UREF

的變化所引起的誤差和輸入數(shù)字量的大小是呈正比的。因此把由ΔUREF引起的轉(zhuǎn)換誤差叫作比例系數(shù)誤差。圖8-5中以虛線表示出了當(dāng)ΔUREF一定時(shí)，輸出的電壓值偏離理論值的情況。

圖8-5比例系數(shù)誤差

(3)漂移誤差。它是由求和運(yùn)算放大器零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的誤差。當(dāng)輸入數(shù)字量為0時(shí)，由于求和運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移，輸出的模擬電壓并不為0。這使實(shí)際輸出電壓值與理想電壓值產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)位移，如圖8-6中虛線所示。

圖8-6漂移誤差

【例8.2】10位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，外接參考電壓UREF=-10V。為保證UREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起的誤差小于1/2LSB(最低有效位)，試計(jì)算UREF的相對(duì)穩(wěn)定度應(yīng)取多少?

解

首先計(jì)算對(duì)應(yīng)于1/2LSB輸入的輸出電壓。由式(8.2.6)可知，當(dāng)輸入代碼只有LSB=1而其余各位均為0時(shí)的輸出電壓為

故與1/2LSB相對(duì)應(yīng)的輸出電壓絕對(duì)值為

3.建立時(shí)間

從數(shù)字信號(hào)輸入DAC到輸出電流(或電壓)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間為建立時(shí)間。建立時(shí)間的大小決定了轉(zhuǎn)換速度。目前，10~12位單片集成D/A轉(zhuǎn)換器(不包括運(yùn)算放大器)的建立時(shí)間可以在1μs以內(nèi)。

8.3A/D轉(zhuǎn)換器

8.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理

1.取樣與保持取樣是將時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的信號(hào)，即將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入的模擬量，其過(guò)程如圖8-7所示。圖中，ui(t)是輸入的模擬信號(hào)，s(t)為取樣脈沖，uo(t)為取樣后的輸出信號(hào)。

圖8-7取樣過(guò)程

在取樣脈沖作用的周期τ內(nèi)，取樣開關(guān)接通，使uo(t)=ui(t)，在其他時(shí)間(Ts-τ)內(nèi)，輸出等于0。因此，每經(jīng)過(guò)一個(gè)取樣周期，對(duì)輸入信號(hào)取樣一次，在輸出端便得到輸入信號(hào)的一個(gè)取樣值。為了不失真地恢復(fù)原來(lái)的輸入信號(hào)，根據(jù)取樣定理，一個(gè)頻率有限的模擬信號(hào)，其取樣頻率fs

必須大于等于輸入模擬信號(hào)包含的最高頻率fmax的兩倍，即取樣頻率必須滿足:

對(duì)模擬信號(hào)取樣后，得到一系列樣值脈沖。取樣脈沖寬度τ一般很小，在下一個(gè)取樣脈沖到來(lái)之前，應(yīng)暫時(shí)保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此在取樣電路之后須加保持電路。圖8-8(a)是一種常見的取樣保持電路，場(chǎng)效應(yīng)管V為取樣門，電容C為保持電容，運(yùn)算放大器為跟隨器，起緩沖隔離作用。在取樣脈沖s(t)到來(lái)的時(shí)間τ內(nèi)，場(chǎng)效應(yīng)管V導(dǎo)通，輸入模擬量ui(t)向電容充電。假定充電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于τ，那么電容C上的充電電壓就能及時(shí)跟上ui(t)的采樣值。

采樣結(jié)束，V迅速截止，電容C上的充電電壓保持為前一次取樣的值，一直保持到下一個(gè)取樣脈沖到來(lái)為止。當(dāng)下一個(gè)取樣脈沖到來(lái)時(shí)，電容C上的電壓uo(t)再按輸入ui(t)變化。在輸入一連串取樣脈沖序列后，取樣保持電路的緩沖放大器輸出電壓u'o(t)便得到如圖8-8(b)所示的波形。

圖8-8取樣保持電路及輸出波形

2.量化與編碼

正如前面所講，數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是不連續(xù)的，而且在幅度上也是不連續(xù)的。因此，任何一個(gè)數(shù)字量的大小都可用某個(gè)最小量單位的整數(shù)倍來(lái)表示。而采樣-保持后的電壓仍是連續(xù)可變的，在將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量時(shí)，就必須把它與一些規(guī)定個(gè)數(shù)的離散電平進(jìn)行比較，凡介于兩個(gè)離散電平之間的取樣值，可按某種方式近似地用這兩個(gè)離散電平中的一個(gè)表示。這種取整并歸的方式和過(guò)程稱為數(shù)值量化，簡(jiǎn)稱量化。所取的最小數(shù)量單位叫作量化單位，用Δ表示。顯然，數(shù)字信號(hào)最低有效位(LSB)的1所代表的數(shù)量大小就等于Δ。

把量化的結(jié)果用代碼(可以是二進(jìn)制，也可是其他進(jìn)制)表示出來(lái)，稱為編碼。這些代碼就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果。

量化的方法有兩種:一種是只舍不入，另一種是有舍有入。

圖8-9劃分量化的兩種方法及其編碼

8.3.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要電路形式

ADC電路分為直接法和間接法兩大類。

直接法是通過(guò)一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行比較，從而將模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。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。

間接法是將取樣后的模擬電壓信號(hào)先轉(zhuǎn)換成一個(gè)中間變量(時(shí)間t或頻率f)，然后再將中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可提高，且抗干擾性強(qiáng)。

常用的直接A/D轉(zhuǎn)換器有并聯(lián)比較型和反饋比較型兩類。目前使用的間接A/D轉(zhuǎn)換器多半都屬于電壓-時(shí)間變換型(簡(jiǎn)稱U－T變換型)和電壓-頻率變換型(簡(jiǎn)稱U－F變換型)。

1.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)如圖8-10所示，它由電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換電路三部分組成。其輸入為0~UREF間的模擬電壓，輸出為3位二進(jìn)制數(shù)碼d2d1d0。

依次類推，易算出ui

為不同電壓時(shí)寄存器的狀態(tài)，如表8-1所示。但由于寄存器輸出的是一組7位的二進(jìn)制代碼，仍不是所要求的二進(jìn)制數(shù)，因此必須進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換。

代碼轉(zhuǎn)換電路是一個(gè)組合邏輯電路，根據(jù)表8-1可以寫出代碼轉(zhuǎn)換電路輸出與輸入間的邏輯函數(shù)式:

按照上式即可得到圖8-10所示的代碼轉(zhuǎn)換電路。

圖8-10并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

例如，假設(shè)模擬輸入電壓ui=3.8V，UREF=8V。當(dāng)模擬輸入電壓ui

加到各級(jí)比較器時(shí)，由于

因此比較器的輸出C7~C1

為0001111。在時(shí)鐘脈沖作用下，比較器的輸出存入寄存器，經(jīng)代碼轉(zhuǎn)換電路輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果:d2d1d0=100。這也就是并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的工作過(guò)程。

2.反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器

在反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器中經(jīng)常采用的有計(jì)數(shù)型和逐次漸近型兩種方案。

計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖8-11所示。它由電壓比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器以及輸出寄存器等幾部分組成。

圖8-11計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖

逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖8-12所示。它由電壓比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、時(shí)鐘脈沖源和控制邏輯等幾部分組成。

圖8-12逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖

例如，一個(gè)待轉(zhuǎn)換的模擬電壓ui=163mV，逐次漸近寄存器的數(shù)字量為8位，則整個(gè)比較過(guò)程如表8-2所示，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的uo

反饋電壓變化波形如圖8-13所示。

圖8-13ui=163mV逐次比較uo波形

3.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理是將模擬電壓ui

轉(zhuǎn)換成與其大小成正比的時(shí)間T，再利用基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖通過(guò)計(jì)數(shù)器將T變換成數(shù)字量。圖8-14所示是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖。它包含積分器、比較器、計(jì)數(shù)器、控制邏輯和時(shí)鐘信號(hào)源等幾部分。圖8-15所示是這個(gè)電路的工作波形圖。

圖8-14

圖8-15雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作波形

下面討論它的工作過(guò)程和這種A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)。

轉(zhuǎn)換開始前(轉(zhuǎn)換控制信號(hào)uL=0)，先將計(jì)數(shù)器清零，并將開關(guān)S2

合上，使積分電容器完全放電。當(dāng)uL=1時(shí)開始轉(zhuǎn)換。其轉(zhuǎn)換過(guò)程分兩個(gè)階段進(jìn)行:

(2)比較階段。開關(guān)S1

接至基準(zhǔn)電壓-UREF一側(cè)后，積分器向相反方向積分，計(jì)數(shù)器又開始從0計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)時(shí)間

T2

后，積分器的輸出電壓上升到零，比較器的輸出為低電平，將與門G封鎖，停止計(jì)數(shù)，轉(zhuǎn)換結(jié)束。積分器的輸出電壓為

即

可見，反向積分到uo=0的時(shí)間T2

與輸入信號(hào)ui

成正比。在T2

時(shí)間間隔內(nèi)，計(jì)數(shù)器所計(jì)的脈沖數(shù)D為

由上式可見，計(jì)數(shù)器記錄的脈沖數(shù)D與輸入電壓ui

成正比，計(jì)數(shù)器記錄D個(gè)脈沖后的狀態(tài)就表示了ui

的數(shù)字量的二進(jìn)制代碼，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器最突出的優(yōu)點(diǎn)是工作性能比較穩(wěn)定。由于每次轉(zhuǎn)換用同一積分器進(jìn)行兩次積分，轉(zhuǎn)換結(jié)果與R、C

的參數(shù)無(wú)關(guān)，因此，R、C

參數(shù)的緩慢變化不影響電路的轉(zhuǎn)換精度，而且也不要求R、C

的數(shù)值十分準(zhǔn)確。式(8.3.6)和式(8.3.8)還說(shuō)明，在取

T1=NTCP的情況下，轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)鐘信號(hào)周期無(wú)關(guān)。只要每次轉(zhuǎn)換過(guò)程中TCP不變，那么時(shí)鐘周期在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)生緩慢變化不會(huì)帶來(lái)轉(zhuǎn)換誤差。

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力比較強(qiáng)。因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的輸入端使用了積分器，所以對(duì)平均值為零的各種噪聲有很強(qiáng)的抑制能力。

2.轉(zhuǎn)換速度

轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢，需幾十毫秒左右；逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，為幾十微秒；并聯(lián)型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，僅需幾十納秒。第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形9.1概述9.2555定

時(shí)

器9.3施密特觸發(fā)器9.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器9.5多諧振蕩器

9.1概述

脈沖信號(hào)是指突然變化的電壓或電流。在數(shù)字電路中，為了控制和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作，常常需要脈沖信號(hào)。獲得矩形脈沖的方法有兩種：一種是利用多諧振蕩器直接產(chǎn)生所需要的矩形脈沖；另一種是通過(guò)整形電路把已有的周期性變化波形變換成符合要求的矩形脈沖。

常用的整形電路有施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器主要用于將緩慢變化或快速變化的非矩形脈沖變換成陡峭的矩形脈沖；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器主要用于將寬度不符合要求的脈沖變換成符合要求的矩形脈沖。

555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字—模擬混合集成電路，利用它能方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，因而555定時(shí)器在定時(shí)、控制、檢測(cè)、報(bào)警等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

9.2555定

時(shí)

器

555定時(shí)器因輸入端設(shè)計(jì)有三個(gè)5kΩ電阻而得名，它的電源電壓范圍寬(雙極型555定時(shí)器為5~16V，CMOS555定時(shí)器為3~18V)，可提供與TTL及CMOS數(shù)字電路兼容的接口電平，還可輸出一定功率，驅(qū)動(dòng)微電機(jī)、指示燈、揚(yáng)聲器等。555定時(shí)器的產(chǎn)品型號(hào)繁多，但所有雙極型產(chǎn)品型號(hào)最后的三位數(shù)碼都是555，所有CMOS產(chǎn)品型號(hào)最后的四位數(shù)碼都是7555。它們的功能和外部引腳的排列完全相同。

9.2.1555定時(shí)器的電路組成

圖9-1雙極型555定時(shí)器電路結(jié)構(gòu)圖

圖9-2555定時(shí)器引腳圖

9.3施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，利用它可以將正弦波、三角波以及其他一些周期性的脈沖波形變換成邊沿陡峭的矩形波。另外，它還可以用作脈沖鑒幅器、比較器等。

9.3.1施密特觸發(fā)器的特性和符號(hào)

施密特觸發(fā)器有兩個(gè)重要特性：

(1)輸入信號(hào)從低電平上升的過(guò)程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平與輸入信號(hào)從高電平下降過(guò)程中對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。

(2)在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)電路內(nèi)部的正反饋過(guò)程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡峭。

施密特觸發(fā)器分為反相施密特觸發(fā)器和同相施密特觸發(fā)器，其相應(yīng)的電壓傳輸特性和邏輯符號(hào)如圖9-3所示。圖中，UT+

稱為正向閾值電平或上限觸發(fā)電平；UT-

稱為負(fù)向閾值電平或下限觸發(fā)電平；其差值稱為回差電壓(滯后電壓)，用ΔUT

表示，即有ΔUT=UT+-UT-

。在圖9-3(a)中，當(dāng)UI

從低電平上升到UT+

時(shí)，UO

從高電平變?yōu)榈碗娖?；?dāng)UI

從高電平下降到UT-

時(shí)，UO從低電平變?yōu)楦唠娖?。由于UI

和UO

始終為反相關(guān)系，因此稱這類施密特觸發(fā)器為反相施密特觸發(fā)器，其邏輯符號(hào)見圖9-3(c)。反之，若UI

和UO

為同相關(guān)系，如圖9-3(b)所示，則稱為同相施密特觸發(fā)器，其邏輯符號(hào)如圖9-3(d)所示。

可以看出，施密特觸發(fā)器是一種受輸入信號(hào)電平直接控制的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。它有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，只要輸入信號(hào)電平達(dá)到觸發(fā)電平，輸出信號(hào)就會(huì)發(fā)生突變，從一個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)，并根據(jù)外加觸發(fā)信號(hào)來(lái)決定穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間。另外，由于施密特觸發(fā)器具有滯后特性或回差特性，即對(duì)正向和負(fù)向增長(zhǎng)的輸入信號(hào)，電路有不同的閾值電平，因此提高了抗干擾能力。

9.3.2用555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器的方法

將555定時(shí)器的高電平觸發(fā)端和低電平觸發(fā)端連接起來(lái)，作為觸發(fā)信號(hào)的輸入端，就可構(gòu)成施密特觸發(fā)器，如圖9-4所示。

圖9-4555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

對(duì)照555定時(shí)器的功能表，可知圖9-4所示電路的工作過(guò)程形成了一個(gè)反相施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性曲線，如圖9-5所示。圖9-5555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性曲線

【例9.1】

用555定時(shí)器將三角波轉(zhuǎn)換成矩形波。

解

變換后的波形如圖9-6所示。圖9-6三角波變換矩形波波形圖

9.3.3施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例

1.用于脈沖整形

在數(shù)字測(cè)量和控制系統(tǒng)中，由傳感器送來(lái)的信號(hào)波形邊沿較差，此外，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離傳輸后，往往會(huì)發(fā)生各種各樣的畸變，整形電路可以把這些脈沖信號(hào)變換成具有一定幅度和寬度的矩形波形。圖9-7是利用施密特觸發(fā)器獲得的比較理想的矩形脈沖波形。

圖9-7脈沖整形

2.用于波形變換

利用施密特觸發(fā)器在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的正反饋?zhàn)饔?，施密特電路可以把變化比較緩慢的正弦波、三角波等變換成邊沿很陡峭的矩形脈沖信號(hào)。

在圖9-8所示的例子中，輸入信號(hào)是由直流分量和正弦分量疊加而成的，只要輸入信號(hào)的幅度大于UT+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同頻率的矩形脈沖信號(hào)。即施密特觸發(fā)器能把不規(guī)則波形變換成前后沿陡峭的矩形波，且輸出波形的周期和頻率與輸入信號(hào)相同。

圖9-8正弦波脈沖變換波形圖

3.用于脈沖鑒幅電路

由于施密特觸發(fā)器的輸出狀態(tài)取決于輸入信號(hào)UI

的幅值，即只有當(dāng)輸入信號(hào)UI

的幅值大于UT+

時(shí)，才會(huì)在輸出端產(chǎn)生輸出信號(hào)，因此，施密特觸發(fā)器能將幅度大于UT+

的脈沖選出，具有脈沖鑒幅能力。圖9-9給出了一個(gè)典型的鑒幅電路波形圖。

圖9-8正弦波脈沖變換波形圖

9.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器9.4.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特性和符號(hào)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特性具有如下的顯著特點(diǎn)：

(1)有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)不同的工作狀態(tài)(雙穩(wěn)態(tài)有兩個(gè)穩(wěn)態(tài))。

(2)在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間tW

以后再自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)，并在其輸出端產(chǎn)生一個(gè)寬度為tW

的矩形脈沖。

(3)暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無(wú)關(guān)。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可分為不可重復(fù)觸發(fā)型和可重復(fù)觸發(fā)型。暫穩(wěn)態(tài)期間如再次被觸發(fā)，對(duì)原暫穩(wěn)時(shí)間無(wú)影響，輸出脈沖寬度仍從第一次觸發(fā)開始計(jì)算的稱為不可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；而可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫穩(wěn)態(tài)期間再次被觸發(fā)時(shí)，輸出脈沖寬度在此前暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間的基礎(chǔ)上再展寬tW

。圖9-10和圖9-11所示分別為兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的邏輯符號(hào)和波形圖。其中，Q1是不可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形；Q2

是可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形。

圖9-10兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器邏輯符號(hào)

圖9-11兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖

9.4.2用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的方法

在555定時(shí)器的外部加接幾個(gè)阻容元件，就可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路。它所形成的單脈沖持續(xù)寬度可以從幾微秒到幾個(gè)小時(shí)。圖9-12所示是由555定時(shí)器所構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其中，R、C是定時(shí)元件。

圖9-12由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

圖9-13所示為555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形。圖9-13由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路波形圖

由以上分析可知，這種單穩(wěn)態(tài)電路為不可重復(fù)觸發(fā)器，要求輸入觸發(fā)脈沖寬度一定要小于tW

。當(dāng)輸入觸發(fā)脈沖寬度大于tW

時(shí)，要在輸入端加RC

微分電路。若觸發(fā)脈沖是周期性的，則其周期應(yīng)大于tW

。

9.4.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用舉例

利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在觸發(fā)信號(hào)作用下由穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)一定的時(shí)間后自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)的特點(diǎn)，可將單穩(wěn)態(tài)電路用于對(duì)脈沖信號(hào)的寬度進(jìn)行波形變換、脈沖整形、定時(shí)、延時(shí)等場(chǎng)合。

1.用于脈沖整形

在圖9-14所示例子中，將波形不規(guī)則的UI

加到單穩(wěn)態(tài)電路的輸入端，輸出端就得到了規(guī)則的脈沖信號(hào)UO，輸出脈沖寬度即為暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間，主要取決于充、放電元件

R

和C。

圖9-14脈沖整形

2.用于定時(shí)

利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖寬度取決于電路元件R和C，且輸出脈沖寬度一定的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)電路定時(shí)。圖9-15所示是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的定時(shí)電路和其相應(yīng)的工作波形。UC

是與門G開通與否的控制信號(hào)。當(dāng)UC

為高電平時(shí)，門G開通，信號(hào)UB

通過(guò)門G輸入；當(dāng)UC為低電平時(shí)，門G關(guān)閉，UB

不能輸出。通過(guò)計(jì)算在tW

時(shí)間內(nèi)與門輸出脈沖的個(gè)數(shù)可得到定時(shí)時(shí)間。

圖9-15單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的定時(shí)電路和工作波形

3.用于脈沖延遲

在數(shù)字系統(tǒng)中，有時(shí)要求將某個(gè)脈沖寬度為T0的信號(hào)延遲一段時(shí)間T1后再輸出。利用兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以很方便地實(shí)現(xiàn)這種脈沖延時(shí)，其電路圖和波形圖如圖9-16和圖9-17所示。從波形圖可以看出，UO

脈沖的下降沿相對(duì)輸入信號(hào)UI

的上升沿延遲了TW1時(shí)間。圖中：

圖9-16單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的脈沖延時(shí)電路

圖9-17脈沖延時(shí)波形圖

【例9.2】

用555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出定時(shí)時(shí)間為1s的正脈沖，設(shè)R=27kΩ，試確定定時(shí)元件C的取值。

解

因?yàn)閠W≈1.1RC，故

從而可取標(biāo)稱值為33μF