电子技术课件项目八锯齿波发生器的设计与制作教学课件.pptx

项目八锯齿波发生器的设计与制作l知知识目目标了解脉冲的产生与变换的基本概念；掌握555定时器的结构框图和工作原理；熟悉555定时器的应用电路及其工作原理；掌握555定时器应用电路的设计方法；了解D/A变换的基本原理和典型电路；掌握集成D/A变换器的应用方法。l技能目技能目标能够应用555定时器构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，并能完成叮咚门铃的安装与调试。能够正确使用集成电路DAC0832、74LS161和运算放大器完成锯齿波发生器的设计、组装和调试。01 掌握555定时器的原理及应用，通过叮咚门铃的设计与制作，加深对555定时器的理解及应用。任任务一一制作叮制作叮咚门铃u任务目标任任务一一制作叮制作叮咚门铃一、555定时器的电路结构与工作原理 555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。任任务一一制作叮制作叮咚门铃制作叮咚门铃 目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。通常，双极型产品型号最后的三位数码都是555，CMOS产品型号的最后四位数码都是7555，它们的结构、工作原理及外部引脚排列基本相同。一般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时电路具有功耗低、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。任任务一一制作叮制作叮咚门铃1.555定时器的电路结构555定时器的内部电路如图8-2所示，其由三个阻值为5 k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管VT及缓冲器G组成。三个5 k的电阻串联组成分压器，为比较器C1和C2提供参考电压。当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为23VCC和13VCC。图8-2 555定时器的内部电路任任务一一制作叮制作叮咚门铃2.555定时器的工作原理（1）当uI123VCC，uI213VCC时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管VT导通，输出端uO为低电平。（2）当uI123VCC，uI213VCC时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管VT截止，输出端uO为高电平。（3）当uI113VCC时，比较器C1输出高电平，C2也输出高电平，基本RS触发器R=1，S=1，触发器状态不变，电路也保持原状态不变。任任务一一制作叮制作叮咚门铃 由于阈值输入端(uI1)为高电平（23VCC）时，定时器输出低电平，因此也将该端称为高触发端（TH）。因为触发输入端(uI2)为低电平（13VCC）时，定时器输出高电平，因此也将该端称为低触发端（TR）。如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值为0VCC），比较器的参考电压将发生变化，电路相应的阈值、触发电平也将随之变化，进而影响电路的工作状态。任任务一一制作叮制作叮咚门铃 另外，RD为复位输入端，当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出uO为低电平，即RD的控制级别最高。正常工作时，一般将其接高电平。555定时器的功能表如表8-1所示。任任务一一制作叮制作叮咚门铃二、用555定时器组成的施密特触发器1.电路组成 将定时器5G555的阈值输入端TH和触发输入端TR连在一起，作为触发信号uI的输入端，并从OUT端取输出uO，便构成了一个反相输出的施密特触发器，如图8-3所示。为了提高基准电压UR1和UR2的稳定性，常在CO控制端对地接一个0.01 F的滤波电容。图8-3 555定时器构成的施密特触发器任任务一一制作叮制作叮咚门铃2.工作原理下面参照如图8-4所示的波形讨论施密特触发器的工作原理。当uI13VCC时，电压比较器C1和C2的输出uC1=1，uC2=0，基本RS触发器置1，Q=1，Q=0，这时，输出uO=UOH。当13VCCuI23VCC时，两个电压比较器C1和C2的输出uC1=1，uC2=1，基本RS触发器保持原状态不变，即输出uO=UOH。图8-4 施密特触发器的工作波形任任务一一制作叮制作叮咚门铃可见，当uI下降到13VCC时，电路输出状态又发生另一次跃变，所以电路的负向阈值电压UT=13VCC。由以上分析可得施密特触发器的回差电压UT为UT=UT+UT=13VCC。图8-5所示为电路的电压传输特性，由该特性可看出，该电路具有反相输出特性。图8-4 施密特触发器的工作波形任任务一一制作叮制作叮咚门铃三、用555定时器组成的单稳态触发器1.电路组成 将555定时器的TR端作为触发信号uI的输入端，VT的集电极通过电阻R2和R1接VCC，组成了一个反相器，其集电极通过电容C接地，便组成了图8-6所示的单稳态触发器。电阻和电容为定时元件。图8-6 用555定时器组成的单稳态触发器任任务一一制作叮制作叮咚门铃制作叮咚门铃2.工作原理 当电路无触发信号时，uI处于高电平(uI 13VCC)。如果接通电源后Q=0，uO=0，放电三极管VT导通，电容通过VT放电，使uC=0，uO保持低电平不变。如果接通电源后Q=1，VT就会截止，电源通过电阻R向电容C充电。当uC上升到23VCC时，由于uC1=0，uC2=1，触发器置0，uO=0。此时，VT导通，电容C放电，uO保持低电平不变。任任务一一制作叮制作叮咚门铃 当触发输入端施加触发信号(uI13VCC)时，电路的输出状态由低电平跳变为高电平，电路由稳态转入暂稳态，放电三极管VT截止。此后电容C充电，当C充电至uC=23VCC时，电路的输出电压uO由高电平翻转成低电平，同时VT导通，于是电容C放电，电路返回到稳定状态。电路的工作波形如图8-7所示。图8-7 用555定时器构成的单稳态触发器的工作波形任任务一一制作叮制作叮咚门铃制作叮咚门铃 如果忽略VT的饱和压降，则uC从零电平上升到23VCC的时间，即为输出电压uO的脉宽：tW=RCln 31.1RC。通常R的取值在几百欧至几兆欧，电容取值为几百皮法到几百微法。这种电路产生的脉冲宽度可从几个微秒到数分钟，精度可达0.1%。由图8-7可知，如果在电路的暂稳态持续时间内，加入新的触发脉冲，则该脉冲对电路不起作用，电路为不可重复触发但稳态触发器。任任务一一制作叮制作叮咚门铃四、用555定时器组成的多谐振荡器1.电路组成 将放电管VT的集电极经R1接到VCC上，便构成一个反相器。其输出DIS端对地接由R2、C构成的积分电路，积分电容C再接TH和 TR端便组成了图8-8所示的多谐振荡器。图8-8 由555定时器组成的多谐振荡器任任务一一制作叮制作叮咚门铃2.工作原理 下面参照图8-9所示的波形讨论多谐振荡器的工作原理。接通电源后，VCC经电阻R1和R2对电容C充电，其uC由0按指数规律上升。当uC23VCC时，电压比较器C1和C2的输出分别为uC1=0，uC2=1，基本RS触发器置0，Q=0，Q=1，输出uO跃到低电平，同时放电管VT导通，电容C通过R2和VT放电，电路进入暂稳态。图8-9由555定时器组成的多谐振荡器的工作波形任任务一一制作叮制作叮咚门铃由图8-9可得多谐振荡器的振荡周期T为tW1为电容C上的电压uC由13VCC上升到23VCC所需的时间，充电回路的时间常数为（R1+R2）C。tW1可用下式估算。tW2为电容C上的电压uC由23VCC下降到13VCC所需的时间，放电回路的时间常数为R2C。tW2可用下式估算。所以，多谐振荡器的振荡周期T为其振荡频率f为任任务一一制作叮制作叮咚门铃3.占空比可调的多谐振荡器在如图8-8所示电路中，由于电容C的充电时间常数1=（R1+R2）C，放电时间常数2=R2C，所以1总是大于2，uO的波形不仅不可能对称，而且占空比q不易调节。利用半导体二极管的单向导电性，把电容C充电和放电回路隔离开，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器，如图8-10所示。图8-10 占空比可调的多谐振荡器任任务一一制作叮制作叮咚门铃制作叮咚门铃由于二极管的引导作用，电容C的充电时间常数1=R1C，放电时间常数2=R2C，通过与上面相同的分析计算过程可得占空比q为 只要改变电位器滑动端的位置，就可以方便地调节占空比q。当R1=R2时，q=0.5，uO就成为对称的矩形波。任任务一一制作叮制作叮咚门铃u实践操作一、目标（1）掌握叮咚门铃的电路组成、工作原理，掌握555定时器应用电路的设计方法。（2）掌握应用电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计电路的能力。二、设备与器件 IC555集成块1块，二极管2个，电阻4个（R1=22 k，R2=47 k，R3=30 k，R4=22 k），电容3个（C1=47 F，C2=0.05 F，C=50 F），直流电源，扬声器，按钮开关（AN）。任任务一一制作叮制作叮咚门铃三、电路 叮咚门铃电路如图8-11所示。叮咚门铃的开关AN是门上的按钮开关，当没有按下开关时，电容无法接通，不进行充电，因而电容的电压为0 V，复位端一直处于低电平状态，扬声器无法工作。图8-11 叮咚门铃电路任任务一一制作叮制作叮咚门铃 当开关AN闭合时，VCC的电流流过二极管VD2对电容C2进行充电，使其两端电压升高，复位端的电压也开始逐渐升高。当电容端电压上升为高电平，即复位端口输入的是高电平时，定时器启动，由电阻R3、电容C2和二极管VD2组成的振荡器开始工作，输出频率为f1。当断开开关AN时，电阻和电容组成回路，电容开始放电。同时由电阻R3、电容C2组成的振荡器开始工作，输出频率为f2。当电容放电完毕时，复位端恢复低电平，定时器停止工作。在输出端接扬声器，输出端有电流时就会使扬声器发声。输出端频率不同时，发出的声音就不同。本电路中有两种不同的频率，因此扬声器会发出“叮”“咚”两种不同的声音。任任务一一制作叮制作叮咚门铃（1）完成叮咚门铃的逻辑电路设计。（2）画出布线图。（3）完成叮咚门铃电路所需元器件的测试。（4）根据布线图制作叮咚门铃电路。（5）完成叮咚门铃电路的功能检测和故障排除。五、思考五、思考题（1）电容C3在电路中起什么作用？（2）如何检测扬声器质量的好坏？四、步四、步骤与要求与要求制作叮咚门铃任任务一一制作叮制作叮咚门铃六、考核六、考核任任务一一制作叮制作叮咚门铃1.图8-12所示为用555定时器组成的开机延时电路。若C=25 F，R=91 k，VCC=12 V，试计算常闭开关S断开以后经过多长的延迟时间，UO才跳变为高电平。图8-12题1图u思考与思考与练习制作叮咚门铃任任务一一制作叮制作叮咚门铃2.在使用由555定时器组成的单稳态触发器电路时，对触发脉冲的宽度有无限制？当输入脉冲的低电平持续时间过长时，电路应如何修改？3.试用555定时器设计一个单稳态触发器，要求输出脉冲宽度在110 s范围内可手动调节。给定555定时器的电源为15 V。触发信号来自TTL电路，高、低电平分别为3.4 V和0.1 V。4.在用555定时器组成的多谐振荡器电路（见图8-8）中，若R1R25.1 k，C0.01 F，VCC12 V，试计算电路的振荡频率。5.用555定时器构成的压控振荡器，试求输入控制电压u1和振荡器频率之间的关系式。当u1升高时，判断频率是升高还是降低？02 掌握A/D转换器、D/A转换器的原理及应用；通过锯齿波发生器的设计与制作，加深对A/D和D/A转换的理解。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器u任务目标任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器设计与制作锯齿波发生器引入：随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用数字计算机技术。由于系统的实际对象往往是一些模拟量，要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。知知识链接接任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器一、D/A转换器1.D/A转换器的基本概念 以二进制为例，一个多位二进制数中每一位的1所代表的数值大小称为这一位的权。简单地说，D/A转换器就是把多位二进制数字信号转换成与之对应的模拟信号的电路。确切地说，D/A转换器就是用以接收数字信息，输出一个与输入的数字量成正比的电压或电流的电路。它一般由恒压源、模拟开关以及由数字量代码所控制的电阻网络等部分组成。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器2.D/A转换器的电路结构1）权电阻网络D/A转换器(1)电路组成。权电阻网络D/A转换器电路如图8-13所示。该电路是4位权电阻网络D/A转换器，它由权电阻网络、4个模拟开关和1个求和放大器组成。S3、S2、S1和S0是4个电子开关，它们的状态分别受输入代码d3、d2、d1和d0的取值的控制，代码为1时开关接到参考电压UREF上，代码为0时开关接地。图8-13 权电阻网络D/A转换器电路任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器设计与制作锯齿波发生器 求和放大器是一个接成负反馈的运算放大器。为了简化分析计算，可以把运算放大器近似地看成理想放大器，即它的开环放大倍数为无穷大，输入电流为零，输出电阻为零。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器(2)工作原理。当参考电压经电阻网络加到U-时，只要U-稍高于U+，便在uo输出最大负向电压。uo经Rf反馈到U-端，使U-降低，其结果必然使U-U+=0。在认为运算放大器输入电流为零的条件下，可以得到由于U-0，因而各支路电流分别为：当d3=1时，；当d3=0时，I3=0。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器取Rf=R/2，则得到对于n位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取R/2时，输出电压为上式表明，输出的模拟电压正比于输入的数字量Dn，从而实现了从数字量到模拟量的转换。当Dn=0时，uo=0；当Dn=1111时，。故uo的最大变化范围是 。还可以看到，在UREF为正值时，输出电压uo始终为负值。要想得到正的输出电压，可以将UREF取为负值。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器2）倒T形电阻网络D/A转换器（1）电路组成。为了克服权电阻网络D/A转换器中电阻阻值相差太大的缺点，设计出图8-14所示的倒T形电阻网络D/A转换器。由图8-14可知，电阻网络中只有R、2R两种阻值的电阻，这给集成电路的设计和制作带来了很大的方便。图8-14 倒T形电阻网络D/A转换器任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器（2）工作原理。由图8-14可知，因为求和放大器反相输入端U-的电位始终接近零，所以无论开关S3、S2、S1、S0合到哪一边，都相当于接到了“地”电位上，流过每个支路的电流也始终不变。在计算倒T形电阻网络中各支路的电流时，可以将电阻网络等效地画成图8-15所示的形式。图8-15计算倒T形电阻网络支路电流的等效电路任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器 如果令di=0时开关接地（接放大器的U+），而di=1时Si接至放大器的输入端U-，则由图8-15可知 在求和放大器的反馈电阻阻值等于R的条件下，输出电压为 对于n位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，在求和放大器的反馈电阻阻值为R的条件下，输出模拟电压的计算公式为 上式说明，输出的模拟电压与输入的数字量成正比。倒T形电阻网络D/A转换器比权电阻网络D/A转换器转换精度高、速度快，得到了广泛的应用。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器3）D/A转换器中的模拟开关（1）电路组成。D/A转换器中的模拟开关是受输入数字信号控制的，并要求数字信号Di=1时，在T形电路中模拟开关接基准电源UREF。当Di=0时，模拟开关接地；并且要尽可能接近理想开关，即接通时压降接近零，断开时内阻接近无穷大。例如，用双极型晶体管的饱和与截止特性可以组成模拟开关，如图8-16所示。图8-16双极型晶体管组成的模拟开关任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器（2）工作原理。当uI为高电平时，VT4饱和导通，VT3截止，因而VT2饱和导通，VT1截止，这时相当于开关接地。当uI为低电平时，VT4截止，VT3饱和导通，因而VT2截止，VT1饱和导通，这时相当于开关接基准电压UREF。为了使开关管饱和导通的压降减小，在电路的设计上采取了两项措施。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器设计与制作锯齿波发生器 首先，将VT1、VT2倒置运用，即将集电极当发射极而发射极当集电极用，这样可使管子的饱和压降UCE（SAT）0，即接近理想开关接通的情况。其次，在电路设计上，使VT1、VT2基极有足够大的注入电流，使该两管集电结处于较大的正向偏置而进入饱和状态，从而使UCE（SAT）进一步减小。由图8-16可以看出，当输入uI为+3.6 V时，VT4饱和，-6 V电源通过6.8 k电阻给VT2注入足够大的基极电流。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器设计与制作锯齿波发生器3.集成D/A转换器及其应用 随着集成电子技术的发展，现已将D/A转换电路的电阻网络和受数码控制的电子开关集成在同一块芯片上，形成具有各种特性和功能的D/A转换器集成芯片。D/A转换器集成芯片的型 号 很 多，如 8位 的 DAC0832、MC1408和12位的DAC1230、DAC811等。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器DAC0832与微处理器完全兼容，其以价廉、接口简单等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。1）DAC0832的结构与引脚功能 图8-17所示为DAC0832的逻辑结构及引脚图。它由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成，采用20脚双列直插式封装。其引脚功能如下。图8-17 DAC0832的逻辑结构及引脚图任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器DI0DI7为8位数据输入端。ILE为数据允许锁存信号。CS为输入寄存器选择信号。WR1为输入寄存器写选通信号，输入寄存器的锁存信号LE1由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生。LE1为高电平时，输入寄存器的状态随输入数据变化，LE1的负跳变将输入数据锁存。XFER为数据传送信号。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器WR2为DAC寄存器的写选通信号。DAC寄存器的锁存信号LE2由XFER和WR2的逻辑组合而成。LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2负跳变时，输入寄存器的内容传入DAC寄存器，并开始D/A转换。UREF为基准电源输入端。RFB为反馈信号输入端。IOUT1为电流输出端1，其值随DAC内容线性变化。IOUT2为电流输出端2，IOUT1+IOUT2=常数。VCC为电源输入端。AGND为模拟地。DGND为数字地。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器（2）有两级锁存控制功能，可实现多通道D/A的同步转换输出。（4）DAC0832为电流输出型转换器，如果需要获得模拟电压输出，就必须外接转换电路。（1）DAC0832是一种与微处理器相兼容的D/A转换器，它具有多个控制引脚可与微处理器连接，接受微处理器的控制。（3）由于DAC0832内部无参考电压，因此必须外接参考电压电路。2）DAC0832的应用特点DAC0832具有以下应用特点。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器图8-18所示为一种用两级运算放大器组成的模拟电压输出电路。从a点输出为单极性模拟电压，从b点输出为双极性模拟电压。如果参考电压为+5 V，则a点输出电压为05 V，b点输出电压为5 V。图8-18 DAC0832输出模拟电压时的外接转换电路任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器3）DAC0832与8031的接口电路（1）单缓冲器方式接口。图8-19所示为DAC0832与8031的单缓冲器方式接口电路。在此电路中，将DAC0832的数据允许锁存信号ILE与+5 V相接，8031的地址选择线与DAC0832的寄存器选择信号CS和数据传送信号XFER相接。图8-19 DAC0832与8031的单缓冲器方式接口电路任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器（2）双缓冲器同步方式接口。对于多路D/A转换电路，并且要求同步进行D/A转换输出时，就需要采用双缓冲器同步方式接口。DAC0832采用这种接口时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的，即CPU的数据总线分时地向各路D/A转换器输入要转换的数字量，并锁存在各自的输入寄存器中，然后CPU对所有的D/A转换器发出控制信号，使各个D/A转换器输入寄存器中的数据打入DAC寄存器，实现同步转换输出。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器 图8-20所示为一种两路同步输出的D/A转换接口电路，它采用的就是双缓冲器同步方式。8031的地址线P2.5和P2.6分别与DAC0832的 CS 连接，用于选择两路D/A转换器的输入寄存器，控制数字量的输入锁存。P2.7同时与两路D/A转换器的XFER端连接，控制两路D/A转换器的同步转换输出。图8-20 DAC0832与8031的双缓冲器同步方式接口电路任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器4.D/A转换器的主要技术指标 D/A转换器的主要技术指标有转换精度、转换速度和温度系数。1）转换精度 D/A转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度，其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。输入数字量位数越多，输出电压可被分离的等级越多，即分辨率越高。在实际应用中，往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。此外，D/A 转换器也可以用能分辨最小输出电压与最大输出电压之比给出。n位D/A转换器的分辨率可表示为 ，它表示D/A转换器在理论上可以达到的精度。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器 由于D/A转换器中各元件参数值存在误差、基准电压不够稳定和运算放大器的零漂等各种因素的影响，D/A转换器的实际精度还与一些转换误差有关，如比例系数误差、失调误差和非线性误差等。比例系数误差是指实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线的斜率的偏差。如在n位倒T形电阻网络D/A转换器中，当UREF偏离标准值UREF时，就会在输出端产生误差电压uo。可以推出任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器由UREF引起的误差属于比例系数误差。3位D/A转换器的比例系数误差如图8-21所示。图8-213位D/A转换器的比例系数误差任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器 非线性误差是一种没有一定变化规律的误差，一般用在满刻度范围内，偏离理想的转移特性曲线的最大值来表示，为了获得高精度的D/A转换器，不仅应选择位数较多的高分辨率的D/A转换器，而且需要选用高稳定度的基准电源和低零漂的运算放大器等器件与之配合才能达到要求。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器2）转换速度当D/A转换器输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即达到所对应的量值，它需要一定时间。通常用建立时间和转换速率两个参数来描述D/A转换器的转换速度。（1）建立时间（tset）指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定值所需时间。（2）转换速率（SR）用大信号工作状态下，模拟电压的变化率表示。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器设计与制作锯齿波发生器3）温度系数温度系数是指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器二、A/D转换器1.A/D转换器的工作原理 A/D转换器相当于一个编码器，能将模拟信号转换成数字信号。在A/D转换器中，输入的模拟量在时间上是连续变化的信号，而输出则是在时间上、幅度上都离散的数字量。要将模拟信号转换成数字信号，首先要按一定的时间间隔抽取模拟信号。将抽取的模拟信号保持一段时间，以便进行转换。一般采样和保持用一个电路实现，称为采样保持电路。接着将采样保持下来的采样值进行量化和编码，转换成为输出的数字量。因此，一般的A/D转换是通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成的。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器1）采样和保持 采样就是对连续变化的模拟信号做等间隔的抽取样值，也就是对连续变化的模拟信号做周期性的测量。通过采样，将一个在时间上连续变化的模拟量转换为断续变化的模拟量。采样通常用电子模拟开关完成。如图8-22所示电路，设输入模拟信号为uI(t)，电子模拟开关在采样脉冲us(t)的作用下做周期性变化。图8-22 采样示意图及其波形任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器 采样信号us(t)是一系列调制脉冲，通过它的作用从模拟信号uI(t)中抽取样值，每个样值脉冲幅度等于该次采样瞬间uI(t)的幅值，其宽度则与us(t)的脉冲宽度TC一样，如图8-23所示。图8-23 采样保持框图及波形任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器为了保证uO(t)能包含uI(t)的特征，对采样信号脉冲us(t)的最低频率fs有一定要求。根据采样定理，理论上要满足式中，fs是采样信号频率；fmax是uI(t)信号中所含最高次谐波分量的频率。这样就能将uO(t)不失真地还原成uI(t)。由于电路元件不可能达到理想要求，通常fs需达到 ，才能保证还原后信号不失真。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器 由于采样信号脉冲的宽度TC很小，量化装置来不及反应，所以需要在采样门之后加一保持电路。如图8-23所示，它实际上是一个存储电路，通常利用电容C的存储作用保持样值脉冲。最简单的采样保持电路如图8-24所示，场效应管VT为采样门，高质量的电容C为保持元件，运算放大器A作为跟随器起缓冲隔离负载的作用。图8-24 采样保持电路任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器设计与制作锯齿波发生器图8-24中用作采样开关的场效应管VT受采样脉冲控制，在采样时间内uIt为高电平的TC期间，VT导通，对电容C充电。若充电时间常数-TC，则uC(t)在TC期间内完全能够跟上uI(t)的变化，在uI(t)为低电平的TH期间内，VT截止。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器2）量化和编码 输入的模拟信号经采样保持后，得到的是阶梯波信号，而阶梯波信号的幅度是连续可变的，有无限多个值。要把连续变化的所有电平都转化为不同的数字信号是不可能的，也是不必要的。用近似的方法去取值，将采样保持后的值用一个规定的最小基准单元电平去度量，其值用这个最小基准单元的N倍来确定。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器 由于模拟信号是连续的，它不一定能被整除，因此量化过程不可避免地引入误差，这种误差称为量化误差。通常在划分量化等级时有两种方法，如图8-25所示。图8-25 划分量化等级的两种方法任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器 一般首先通过归一化运算，将所有的电信号转化为0+1 V或-10 V。以0+1 V为例进行说明。图8-25中将0+1 V的模拟电压信号转换成3位二进制代码，3位二进制代码只能代表8个模拟电压数值。如果取=1/8 V，并规定数值在01/8 V的模拟电压均以0对待，用二进制数000表示；凡数值在1/82/8 V的模拟电压均以1对待，用二进制001表示；以此类推，如图8-25（a）所示。这种方法最大的量化误差为，即达到1/8 V，称为只舍不入法。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器 另一种量化方法如图8-25(b)所示，取量化单位等于2/15 V，并将01/15 V输入电压用000表示，1/153/15 V电压用001表示，以此类推。这样每个二进制代码所代表的模拟电压值为它所对应模拟电压范围的中点，所以其最大量化误差不会超过/2，即1/15 V。这种方法称为四舍五入法。显然，这种方法误差小些。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器设计与制作锯齿波发生器2.A/D转换器的分类A/D转换的种类很多，主要有直接A/D转换器和间接A/D转换器。其中，直接A/D转换器常用的电路有并联比较型和反馈比较型两类，间接A/D转换器主要有电压时间变换型和电压-频率变换型。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器 间接法将采样保持的模拟信号首先转换成为时间t或频率f，然后将中间量t或f转换成数字量。由于通常采用频率恒定的时钟脉冲通过计数器来实现转换，因此间接法也称为记数式方法。为了便于理解，此处主要讲述直接法中反馈比较型的改进型，即逐次逼近型A/D转换器的工作原理和集成A/D转换器ADC0809。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器1）逐次逼近型A/D转换器 逐次逼近型A/D转换器是直接式A/D转换器中常见的一种。其基本思想是将大小不同的参考电压与采样保持后的模拟电压uI逐步进行比较，比较结果以相应的二进制代码表示。图8-26所示为4位逐次逼近型A/D转化器的原理框图。它由以下几部分组成。图8-26 4位逐次逼近型A/D转换器的原理框图任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器（1）D/A转换器。它的作用是按不同的输入数码，产生一组数值不同的参考电压uR，送到电压比较器与输入信号uI进行比较。D/A转换器通常采用权电阻网络或倒T形电阻网络的结构，输出参考电压uR与输入数码QDQA的关系如表8-2所示。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器（2）电压比较器。它将输入信号uI和D/A转换器输出参考电压uR进行比较，当uRuI时，输出F=1；当uRuI时，输出F=0。（3）时序分配器。它的作用是产生比较用的节拍脉冲，通常由环形计数器构成，在CP作用下产生CP0CP4的节拍脉冲，其波形如图8-27所示。图8-27 时序分配器波形图任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生生器器设计与制作锯齿波发生器（4）JK触发器。其作用是在节拍脉冲CP0CP4的作用下，记忆每次比较的结果，并向D/A转换器提供输入数码。（5）寄存器。寄存器由D触发器构成，在节拍脉冲的作用下记忆最后的比较结果，并输出二进制代码。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器2）集成A/D转换器 集成A/D转换器的种类很多，主要有ADC08010805型8位A/D转换器、ADC0808/0809型8通道8位A/D转换器、AD574A型12位A/D转换器、ADC0832型8位串行A/D转换器、MAX110/MAX111型14位串行双通道低速A/D转换器等多种。这里介绍ADC0809型8位A/D转换器。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器（1）框图。ADC0809是8通道逐次逼近型8位A/D转换器，包括三大部分：逐次逼近A/D转换器、8路模拟信号选择器和三态输出锁存缓冲器。其结构框图和引脚排列如图8-28所示。图8-28 ADC0809的结构框图及引脚排列任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器（2）工作原理。由8路模拟开关、地址锁存器与译码器组成的8通道模拟选择器，用来接收8路外加采样模拟信号，而模拟开关则受地址锁存器与译码器的控制。当地址锁存器允许端（ALE）为高电平时，三位地址ADDA、ADDB、ADDC送入译码器，译码器根据地址A、B、C选通一路开关接通，相应模拟信号送入A/D转换器。ADC0809地址译码器的真值表如表8-3所示。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器 逐次逼近型A/D转换器由比较器、树状开关、256R T形译码网络、逐次逼近寄存器和控制时序电路组成。转换开始时，经启动脉冲启动后，逐次逼近寄存器清零，在外加脉冲的作用下，对由译码器选中的模拟信号进行数字的转换。当转换结束时，控制时序电路送出控制信号，将8路控制信息锁存在缓冲器中；同时，它送出一个中断信号，这个信号通常作为对CPU中断的请求信号。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器3.A/D转换器的主要性能指标 在单片集成A/D转换器中用分辨率（分解度）和转换误差来描述其转换精度。（1）分辨率。分辨率以输出二进制或十进制数字的位数表示，它表明A/D转换器对输入信号的分辨能力。N位二进制数输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压信号的2N个不同等级。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器设计与制作锯齿波发生器（2）转换误差。转换误差通常以相对误差的形式给出，它表示A/D转换器实际输出的数字量和理想输出数字量之间的差别，并用最低有效位的倍数表示。例如，给出相对误差12LSB，说明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差不大于最低有效位的1/2。A/D转换器的速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差很大。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器u实践操作一、目的（1）掌握锯齿波发生器的电路组成、工作原理。（2）加深对数字和模拟信号转换的理解，掌握A/D转换器、D/A转换器在电路中应用的一般方法。（3）具备初步独立设计电路的能力。二、设备与器件集成块74LS161 2块、DAC0832 1块、集成运放741 1块、直流电源、信号发生器、示波器等。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器三、电路 锯齿波发生器原理图如图8-29所示。两片74LS161构成8位二进制计数器，计数器的输出状态在0000000011111111变化。DAC0832将计数器输出的 8 位二进制信息转换为模拟电压。D/A转换器有28=256个模拟电压输出。输出锯齿波的频率f0和计数脉冲频率fcp的关系为f0=fcp/256。图8-29 锯齿波发生器原理图任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器四、步骤与要求1.安装按正确方法插好IC芯片，连接线路。电路可以连接在自制的PCB上，也可以焊接在万能板上，或通过面包板插接。2.调试（1）在74LS161的脉冲输入CP端接信号源，将信号源的频率调为10 kHz左右，幅度大于2 V。（2）用示波器测量运放741的输出信号，记录输出波形的形状、频率和幅度。（3）改变输入脉冲CP的频率，观察输出波形的频率变化；改变DAC0832第8脚UREF的大小，观察输出波形的幅值变化情况。任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器设计与制作锯齿波发生器五、思考题（1）简述集成运放741的作用。（2）如何改变锯齿波发生器的频率？任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器六、考核六、考核任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器1.在A/D转换过程中，取样保持电路的作用是什么？量化有哪两种方法？其各自产生的量化误差是多少？应该怎样理解编码的含义？试举例说明。2.在应用A/D转换器过程中应注意哪些主要问题？某人用量程为10 V的8位A/D转换器对输入信号为00.5 V的电压进行A/D转换，你认为这样使用正确吗？为什么？u思考与思考与练习设计与制作锯齿波发生器任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器3.10位倒T形电阻网络D/A转换器如图8-30所示，已知R=Rf。（1）求输出电压的取值范围。（2）若要求电路输入数字量为200H时输出电压Uo=5 V，UREF应取何值？图8-30 题3图任任务二二设计与制作与制作锯齿波波发生器生器4.n位权电阻网络D/A转换器如图8-31所示。（1）试推导输出电压uo与输入数字量之间的关系式。（2）如n=8，UREF=-10 V，当Rf=R/8时，输入数码为20H，试求输出电压值。图8-31 题4图任任务一一识别与与检测半半导体二极管体二极管5.在某双积分型A/D转换器中，计数器为十进制计数器，其最大计数容量为（3000）D。已知计数时钟频率fcp=30 kHz，积分器中R=100 k，C=1 F，输入电压uI的变化范围为05 V。（1）求第一次积分时间T1。（2）求积分器的最大输出电压|UOmax|。（3）当UREF=10 V，第二次积分计数器计数值=（1500）10时，求输入电压uI的平均值。u思考与思考与练习设计与制作锯齿波发生器感感谢各位的聆听各位的聆听