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1、,计算机电路基础教程与实训,脉冲与信号转换电路, 教学提示与教学要求 1 脉冲信号概述 2 555集成定时器及其应用 3 数模转换 4 模数转换 5 本章小结 6 习题八,教学提示：脉冲技术是现代电子技术的重要基础，它包括脉冲的产生、整形、变换、传输、控制、记忆、计数、显示等。矩形脉冲既可以代表数字信息，也可以作为时序电路的时钟信号。由于计算机只会处理数字信号，于是就产生了模拟信号和数字信号之间相互转换的问题。本章重点介绍555定时器的电路结构，以及用555定时器构成单稳态触发器的方法和应用；介绍数模、模数转换的基本原理，以及D/A、A/D转换器的主要技术参数。 教学要求：掌握脉冲信号的基本概
2、念；了解555定时器的电路结构及工作原理；掌握用555定时器构成单稳态触发器的方法；理解数模、模数转换的基本原理。,教学提示与教学要求,返回本章首页,8.1 脉冲信号概述, 8.1.1 什么是脉冲信号,返回本章首页,(1) 脉冲幅度Um：脉冲电压变化的最大值。 (2) 脉冲上升沿时间tr：脉冲从幅度的10%处上升到幅度的90%处所需的时间。 (3) 脉冲下降沿时间tf：脉冲从幅度的90%处下降到幅度的10%处所需的时间。 (4) 脉冲宽度tp：脉冲持续的时间，一般指前沿和后沿幅度为50%处的时间宽度。 (5) 脉冲周期T：两个相邻脉冲波形对应点之间的时间间隔。其倒数即为频率f=1/T。, 8.
3、1.2 脉冲波形的主要参数,8.2 555集成定时器及其应用, 8.2.1 555定时器的电路结构,555定时器具有功能强、使用灵活、适用范围宽的特点。通常只要外接少量几个电容元件，就可构成施密特触发器、单稳态触发器以及多谐振荡器等脉冲的变换与产生电路。它可以是TTL型的，如NE555、5G555，也可以是CMOS型的，如7555。两者电路结构基本一致，功能也相同。,返回本章首页,1. 电阻分压器和电压比较器,2. 基本RS触发器,3. 放电管TD和输出缓冲级,综上所述，555定时器的功能如表8-1所示，其中UA=2UCC/3，UB=UCC/3。, 8.2.2 555定时器的工作原理,1. 用
4、555定时器构成单稳态触发器,单稳态触发器是数字系统中一种常用的脉冲整形电路，它具有以下特点： 1）具有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。 2）在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，并在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态。 3）暂稳态维持时间的长短取决于电路中电容的充电和放电时间，与触发脉冲的宽度和幅度无关，这个时间是单稳态触发器的输出脉冲宽度。, 8.2.3 555定时器的应用,2. 用555定时器构成的路灯自动控制电路,3. 用555定时器构成的60秒定时电路,8.3 数模转换,由于计算机只会处理数字信号，于是就产生了模拟信号和数字信号之间相互转换的问题。将模拟信号转换为数字信号称
5、为模数转换（或称为A/D转换）；将数字信号转换为模拟信号称为数模转换（或称为D/A转换）。相应地把实现A/D转换的电路称为A/D转换器ADC；实现D/A转换的电路称为D/A转换器DAC。,本节主要介绍数模转换的基本原理、常见的典型电路以及DAC的主要参数。模数转换的基本原理、常见的典型电路以及DAC的主要参数将下一节介绍。,返回本章首页, 8.3.1 数模转换器原理,数模转换是需要时间的，数码锁存器是用来把要转换的输入数字暂时保存起来以完成数模转换。电子开关有两挡位置，一挡接基准电压UREF，另一挡接地（0电平）。电子开关受数码锁存器中的数字控制，当数字为1时开关接UREF；当数字为0时接地。
6、电阻网络由不同阻值的电阻构成，电阻的一端跟随开关的位置分别接UREF或地。当接UREF时，电阻上有电流，接地时无电流，利用求和电路将电阻网络中各电阻上的电流汇合起来，并以电压形式输出，即可实现数字量到模拟量的转换。,根据电阻网络结构的不同，D/A转换器有很多不同的类型，如权电阻D/A转换器、R-2R T型电阻网络D/A转换器、R-2R 倒T型电阻网络D/A转换器等。在这里主要介绍R-2R倒T型电阻网络D/A转换器。,1. 输入D3D2D1D0=1000时的情况,2. 输入D3D2D1D0=0100时的情况,3. 输入D3D2D1D0=0010时的情况,4. 输入D3D2D1D0=0001时的情
7、况,综上所述，在R-2R倒T型DAC电路中，不管模拟开关处于什么位置，通过各2R支路的电流总是接近于恒定值。该转换器只采用R和2R两种电阻，并且采用电流开关进行控制，具有开关时间短、缓冲性能好、转换精度高、转换速度快等优点，因此应用较广泛。,1. 分辨率,D/A转换器的分辨率是指模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。最小输出电压变化量是指对应于输入数字量最低位为1、其余各位都为0时的输出电压，记为UL。满刻度输出电压是指对应于输入数字量各位都为1时的输出电压，记为UH。对于n位D/A转换器，分辨率可表示为 分辨率 = UL / UH = 1 /（2n -1）,例如4位D/A转换
8、器的分辨率为1/（24-1）=1/156.67%，10位D/A转换器的分辨率为1/（210-1）=1/10230.0978% 。可见，分辨率与D/A转换器的输入数字量位数n成固定关系，因此也常把D/A转换器的输入数字量位数称为分辨率。, 8.3.2 D/A转换器的技术指标,2. 转换精度,转换精度是指D/A转换器实际输出的模拟电压与理论输出模拟电压之间的最大误差，通常用输出电压或满刻度的百分比表示。例如，如果D/A转换器的满刻度输出电压为10V，而转换精度为0.1%，那么最大误差是10V(0.1%)=10mV。一般情况下，精度不大于最小数字量UL的1/2。对于8位D/A转换器，最小数字量占全部
9、数字量的0.39%，所以精度近似为0.2%。,3. 转换时间,转换时间是完成一次转换需要的时间，就是从数字量加到D/A转换器的输入端到输出稳定的模拟量需要的时间。转换时间越小，D/A转换器的工作速度越高。,例8.1一个8位D/A转换器，当输入数字量为0000 0001时，输出电压UOmin=0.02V，那么，当输入数字量为0101 0101时，输出电压UO为多少伏？,例8.2一个8位D/A转换器，已知UREF=10V，Rf=R，求该DAC最小输出电压UOmin为多少伏？最大输出电压UOmax为多少伏？,8.4 模数转换, 8.4.1 并行A/D转换器,将模拟信号转换成数字信号的电路称为A/D转
10、换器。A/D转换器的种类很多，本节主要以并行A/D转换器为主，介绍模数转换的原理、技术指标以及常用的集成A/D转换器ADC0804。,返回本章首页,该A/D转换器工作时，需要取样脉冲，取样脉冲速率越高，则转换精度就越高。若需要n位A/D转换器，则需要2n-1个比较器。因此，当转换器位数较大时，比较器的数量是巨大的，这是并行A/D转换器的缺点。,解：因为UR=+8V，所以比较器 反相端的分档电压分别为1V、 2V、3V、4V、5V、6V、7V。 在第一个取样脉冲到来时，U2V，有两个比较器都输出高电平，但优先编码器只对反相端接2V分档电压的比较器的输出进行编码，输出数字量为010。依此类推，可得
11、表8-2。,1. 转换精度,在单片集成的A/D转换器中常采用分辨率和转换误差来描述转换精度。,（1）分辨率, 8.4.2 A/D转换器的技术指标,（2）转换误差,转换误差通常以输出误差的最大形式给出，它表示实际输出的数字量与理论上应该输出的数字量之间的差别，一般以最低有效位（LSB）的倍数给出。例如转换误差0.5LSB，表示实际输出的数字量与理论输出的数字量之间的误差小于最低有效位的0.5倍。,2. 转换速度,A/D转换器的转换速度主要取决于转换器的类型，不同转换器的转换速度相差很多。并行A/D转换器的转换速度最快，例如8位二进制输出的并行A/D转换器的转换速度可达50 ns以内。,1. 55
12、5定时器是一种多用途的集成电路。它只需外接少量的电阻、电容元件，便可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等实用电路，用于脉冲变换、整形、延时及脉冲产生。 555定时器巧妙地将模拟技术与数字技术结合在一起，使用方便、灵活，具有较强的负载能力和较高的触发灵敏度，广泛应用于各种自动控制电路中。 除555单定时器外，还有双定时器556、四定时器558等。,8.5 本章小结,返回本章首页,2. 将数字信号转换为模拟信号称为数模转换（或称为D/A转换），实现D/A转换的电路称为D/A转换器DAC。D /A转换器的种类很多，如权电阻D/A转换器、R-2R T型电阻网络D/A转换器、R-2R 倒T型电阻
13、网络D/A转换器等。 3. 模拟信号转换为数字信号称为模数转换（或称为A/D转换），实现A/D转换的电路称为A/D转换器ADC。A/D转换器的种类很多，如并行A/D转换器，双积分A/D转换器，逐次比较式A/D转换器等。 4. 无论是D/A转换还是A/D转换，基准电压、分辨率都是重要应用参数。,8.6 习题八,1. 由555定时器构成的单稳态触发器中，输出脉冲宽度取决于什么？ 2. 如图8.5（a）所示的555定时器构成的单稳态触发器中，R和C是什么环节？它起什么作用？在什么情况下可不用此环节？,返回本章首页,4. D/A转换器的位数有什么意义？它与分辨率、转换精度之间有什么关系？ 5. 8位DAC的分辨率是多少？ 6. 一个10位R-2R倒T型D/A转换器的UREF = 5V，Rf =R，试分别求出数字量为00 0000 0001和11 1111 1111时，输出UO为多少伏？ 7. A/D转换器中转换速度最快的是哪一种？ 8. 如果要将一个最大幅度值为10 V的模拟信号转换为数字信号，要求能分辨出2mV的输入信号变化，应选用几位的A/D转换器？,
