模数混合器件分解PPT教案.pptx

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1、模数混合模数混合(hnh)器件分解器件分解第一页，共42页。13.1 13.1 555555定时器定时器定时器定时器 555定时器是一种应用广泛的集成电路，它将模拟和定时器是一种应用广泛的集成电路，它将模拟和数字电路集成在同一片硅片上，用于脉冲信号的产生、波数字电路集成在同一片硅片上，用于脉冲信号的产生、波形的变换形的变换(binhun)和整形，定时等。在工业自动控制、和整形，定时等。在工业自动控制、定时、延时、报警、仿声、电子乐器等方面有广泛应用。定时、延时、报警、仿声、电子乐器等方面有广泛应用。常用集成定时器常用集成定时器 555 有有 5G555(TTL)和和CC7555(CMOS)。V

2、CCV OVI1VCOGNDVI2VORD第1页/共42页第二页，共42页。13.1.1 55513.1.1 555集成定时器的电路集成定时器的电路集成定时器的电路集成定时器的电路(dinl)(dinl)组组组组成成成成1.1.分压器：由三个等值电阻分压器：由三个等值电阻分压器：由三个等值电阻分压器：由三个等值电阻(dinz)(dinz)构构构构成成成成2.2.比较器：由电压比较器：由电压比较器：由电压比较器：由电压(diny)(diny)比较器比较器比较器比较器C1C1和和和和C2C2构成构成构成构成3.3.R-SR-S触发器触发器触发器触发器4.4.放电管放电管放电管放电管VTVT放电管放

3、电管放电管放电管输出端输出端输出端输出端V VOO1 1 电压控制端电压控制端电压控制端电压控制端V VCOCO 阈值端阈值端阈值端阈值端V VI1I1触发端触发端触发端触发端V VI2I2放电端放电端放电端放电端R RD D5KVCCVTVAVB+C1+C22 24 456 67 78 83 31 15K5K&QQRS第2页/共42页第三页，共42页。工作工作(gngzu)原理原理1.当当RD=0时，时，Vo=0，T导通导通 2.当当RD=1时时Q=1，T截止截止(jizh)，Vo=1 Q=0，T导通，导通，Vo=0 Q、T保持保持(boch)，输出保持，输出保持(boch)不变不变 当无外

4、接电源时，当无外接电源时，当无外接电源时，当无外接电源时，电压控制端电压控制端电压控制端电压控制端V VCOCO=0=02/3 VCC1/3 VCCV VI1I1V VI2I2V VOO第3页/共42页第四页，共42页。V VI1I1V VI2I22/3 2/3 U UCCCC1/3 2/3 2/3 U UCCCC1/3 1/3 U UCCCC2/3 1/3 1/3 U UCCCCQ QT T1 10 0保持保持保持保持导通导通导通导通截止截止截止截止保持保持保持保持555功能表功能表功能表功能表2/3 VCC1/3 VCC第4页/共42页第五页，共42页。13.1.2 55513.1.2 5

5、55集成集成集成集成(j chn)(j chn)定时定时定时定时器的应用器的应用器的应用器的应用1 1、构成、构成、构成、构成(guchng)(guchng)施密特触发器施密特触发器施密特触发器施密特触发器 施密特触发器特点施密特触发器特点(tdin)：（1）输出有两种状态（输出为数字信号）；）输出有两种状态（输出为数字信号）；（2）输入采用电平触发（输入为模拟信号）；）输入采用电平触发（输入为模拟信号）；（3）电路具有回差特性：对于正向增加和负向减小的输）电路具有回差特性：对于正向增加和负向减小的输 入信号，电路有不同的阈值电平（入信号，电路有不同的阈值电平（VT+和和VT-）。）。第5页/

6、共42页第六页，共42页。555555集成集成集成集成(j chn)(j chn)定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器2/3UCC1/3UCCuOtOuiuo1268435UCC Cu2=u6=ui 2UCC/3，输出，输出(shch)uo为低电平。为低电平。u2=u6=ui 1UCC/3，输出，输出(shch)uo为高电为高电平。平。uitO UTUTUT回差电压：回差电压：2UCC/3UCC/3UCC/3回差电压越大，电路的抗干扰能力就越强，但过大，会使触回差电压越大，电路的抗干扰能力就越强，但过大，会使触发器灵敏度降低。发器灵敏

7、度降低。第6页/共42页第七页，共42页。1、用于波形、用于波形(b xn)变变换换施密特触发器施密特触发器施密特触发器施密特触发器 应用应用应用应用(yngyng)(yngyng)举例举例举例举例vot02、用于脉冲、用于脉冲(michng)整形、抗整形、抗干扰干扰第7页/共42页第八页，共42页。2 2、由、由、由、由555555定时器组成定时器组成定时器组成定时器组成(z chn)(z chn)的多谐振荡器的多谐振荡器的多谐振荡器的多谐振荡器 多谐振荡器是一种不需要外加触发信号便能自动多谐振荡器是一种不需要外加触发信号便能自动多谐振荡器是一种不需要外加触发信号便能自动多谐振荡器是一种不需

8、要外加触发信号便能自动(zdng)(zdng)地、周期性翻转，从而产生连续矩形波的电路。地、周期性翻转，从而产生连续矩形波的电路。地、周期性翻转，从而产生连续矩形波的电路。地、周期性翻转，从而产生连续矩形波的电路。多谐振荡器是一种常用多谐振荡器是一种常用多谐振荡器是一种常用多谐振荡器是一种常用(chn yn)(chn yn)的脉冲波形发生器的脉冲波形发生器的脉冲波形发生器的脉冲波形发生器,触发触发触发触发器和时序电路中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器产生的。器和时序电路中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器产生的。器和时序电路中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器产生的。器和时序电路中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器

9、产生的。第8页/共42页第九页，共42页。48562713+UCCuO.uC.CR1R22/3UCC1/3UCCQ=1Q=0 T截止截止Q=0Q=1 T导通导通C充电充电(chng din)C放电放电(fng din)uCtOuOtO刚接通刚接通(ji tn)电源电源uC=0t1t2t t1 1=(=(R R1 1+R R2 2)C C ln2=0.7(ln2=0.7(R R1 1+R R2 2)C Ct t2 2=R R2 2C C ln2=0.7 ln2=0.7R R2 2C CT T=t t1 1+t t2 2=0.7(=0.7(R R1 1+2+2R R2 2)C C振荡频率振荡频率1

10、 1f=f=T T=(R R1 1+2+2R R2 2)C C ln2ln21 1=(R R1 1+2+2R R2 2)C C1.431.43输出波形占空比输出波形占空比R R1 1+2+2R R2 2R R1 1+R R2 2t t1 1q=q=T T=充电时间充电时间 t1放电时间放电时间 t2第9页/共42页第十页，共42页。占占空空比比任任意意(rny)可可调调的的 多多谐振荡器谐振荡器 利利用用半半导导体体二二极极管管的的单单向向导导电电特特性性，把把电电容容(dinrng)C充充电电和和放放电电回回路路隔隔离离开开来来，再再加加上上一一个个电电位位器器，便便可可构构成成占占空空比比

11、可可调调的的多多谐谐振振荡荡器。器。第10页/共42页第十一页，共42页。例例例例1 1 防盗报警防盗报警防盗报警防盗报警(bo jng)(bo jng)电电电电路路路路 接通开关时，由于接通开关时，由于 a、b间的细铜丝接在复位端间的细铜丝接在复位端 4与与“地地”之间，输出为低电平，扬声器中无电流，不发声。一旦盗窃者闯入室内碰断细铜丝，之间，输出为低电平，扬声器中无电流，不发声。一旦盗窃者闯入室内碰断细铜丝，4端获高电平，端获高电平，555定时器构成的多谐振荡器开始工作，由定时器构成的多谐振荡器开始工作，由 3端输出一个端输出一个(y)一定频率的矩形波电压，经隔直电容后供给扬声器，扬声器发

12、出警报声。一定频率的矩形波电压，经隔直电容后供给扬声器，扬声器发出警报声。487621356 V51k 100F 0.01F 555S+细细铜铜丝丝100k 0.01F 50k 多谐振荡器的应用多谐振荡器的应用多谐振荡器的应用多谐振荡器的应用(yngyng)(yngyng)第11页/共42页第十二页，共42页。例例例例2 2第12页/共42页第十三页，共42页。有两种状态：有两种状态：0 0态和态和1 1态，但只有一种状态能长久态，但只有一种状态能长久(chngji)(chngji)保持，故名单稳态触发器。保持，故名单稳态触发器。单稳态触发器的特点单稳态触发器的特点(tdin)(tdin)：（

13、1 1）有稳态和暂稳态两种状态）有稳态和暂稳态两种状态(zhungti)(zhungti)；（2 2）平平时时处处于于稳稳态态，在在外外部部触触发发脉脉冲冲作作用用下下，由由稳稳态进入暂稳态；态进入暂稳态；（3 3）暂稳态维持一定时间后自动回到稳态。）暂稳态维持一定时间后自动回到稳态。3 3、由、由、由、由555555定时器组成单稳态触发器定时器组成单稳态触发器定时器组成单稳态触发器定时器组成单稳态触发器n什么是什么是单稳态触发器？单稳态触发器？第13页/共42页第十四页，共42页。uituCtuOt+UCC48562713.0.01FuCCuiuOR1/3UCC接通接通(ji tn)电源电源

14、上升上升(shngshng)到到2/3 UCCQ=0Q=1VT导通，导通，C通过通过(tnggu)VT放电放电,uC 0保持保持“0”态态第14页/共42页第十五页，共42页。uituCtuOt暂稳态暂稳态twtw=RCln3=1.1RC+UCC48562713.0.01FuCCuiuO2/3UCC因此因此(ync)暂稳态的暂稳态的长短长短取决于取决于RC时间常数时间常数R1/3UCC第15页/共42页第十六页，共42页。例例例例1 1：脉冲：脉冲：脉冲：脉冲(michng)(michng)的定时的定时的定时的定时uitBtuotAttw&uiBAuo单稳触发器单稳触发器第16页/共42页第十

15、七页，共42页。将模拟量转换成相应将模拟量转换成相应(xingyng)的数字量；的数字量；将数字将数字(shz)量转换成相应的模拟量。量转换成相应的模拟量。实现实现A/DA/D转换转换(zhunhun)(zhunhun)的电路的电路;实现实现D/AD/A转换的电路。转换的电路。模模/数转换：数转换：数数/模转换：模转换：A/D转换器转换器 (ADCAnalog Digital Converter):D/A转换器转换器 (DAC Digital Analog Converter)：13.2 数数-模和模模和模-数转换数转换第17页/共42页第十八页，共42页。13.2.1 13.2.1 D/A

16、D/A 转换器转换器转换器转换器 (DAC)(DAC)D/A转换器的方框图:n位数字量输入数码寄存器n位模拟开关解码网络求和电路基准电压模拟量输出基本(jbn)思想：将数字(shz)量的每一位代码按权的大小转换成相应的模拟量，再将各模拟量相加，即得到相应的模拟量输出。第18页/共42页第十九页，共42页。1、权电阻、权电阻(dinz)网络网络 D/A 转换器转换器VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR/2(MSB)(LSB)S0S1S2S3D3D2D1D0S0S1S2S3所谓所谓“权电阻权电阻”,是指电阻值的大小，是指电阻值的大小，与有关与有关数字量数字量

17、的的权权密切相关。密切相关。(LSB)(MSB)最低位最低位最高位最高位-+第19页/共42页第二十页，共42页。VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR/2(MSB)(LSB)S0S1S2S3D3D2D1D0S0S1S2S3电子电子(dinz)开开关关：Dn=1 时时，Sn 接接VREF；Dn=0 时时，Sn 接地接地(jid)端端。-+第20页/共42页第二十一页，共42页。VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR/2(MSB)(LSB)23R22R21R20RVREFI1=2I0 I2=4I0I3=8I0当当 D3D

18、2D1D0=1111时时：S0S1S2S3D3D2D1D0I=I0+I1+I2+I3I0=VREF23 R参考(cnko)电压I=VREF23R(D3 23+D2 22+D1 21+D0 20)-+第21页/共42页第二十二页，共42页。VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR/2(MSB)(LSB)uo=-IR/2 VREF24=-(8 D3 +4 D2 +2 D1 +D0 )D/A电路输出模拟电路输出模拟电压电压UO与输入与输入(shr)的数字量的数字量D3D2D1D0成正成正比！比！-+第22页/共42页第二十三页，共42页。VREFRRR2R2R2R

19、2R+-voS2S3S1S0RFI2Ri D0D1D2D32、倒、倒T形电阻形电阻(dinz)网络网络D/A转换器转换器电阻电阻(dinz)网络网络S0S3:模拟电子模拟电子(dinz)开关开关求和运算放大器求和运算放大器I1I2I3I0Di=0,Si接地；接地；Di=1,Si接运放接运放的反相端。的反相端。第23页/共42页第二十四页，共42页。2R2R2R2R+VREF2RRRRABCDI0I1I2I3II=VREFRI3=VREF2RI2=VREF4RI1=VREF8RI0=VREF16R 无论模拟电子开关无论模拟电子开关(kigun)Si 处于何种位置，与处于何种位置，与Si相连相连的

20、的2R电阻都将接电阻都将接“地地”，因此电阻网络可以等效为：，因此电阻网络可以等效为：第24页/共42页第二十五页，共42页。I =I3 +I2 +I1 +I0VREF2R=D3VREF16RD0VREF8RD1VREF4RD2+=VREF 16R(8D3 +4D2 +2D1 +1D0)I=VREFR VREFRRR2R2R2R2R+-voS2S3S1S0RFI2Ri D0D1D2D3I/2I/4I/8I/16I/16第25页/共42页第二十六页，共42页。=VREF RF16R(8D3 +4D2 +2D1 +1D0)vo-VREFRRR2R2R2R2R+-AvoS2S3S1S0RFI2Ri

21、D0D1D2D3I/2I/4I/8I/16I/16vo=-I RFD/A电路电路(dinl)输出模拟电压输出模拟电压VO与输入的数字量与输入的数字量D3D2D1D0成正比！成正比！第26页/共42页第二十七页，共42页。倒倒倒倒T T形电阻形电阻形电阻形电阻(dinz)(dinz)网络单片集成网络单片集成网络单片集成网络单片集成D/AD/A转换器转换器转换器转换器CB7520CB7520（AD7520AD7520）CB7520（AD7520）的电路）的电路(dinl)原理图原理图外接反馈电阻(dinz)可外接，也可以用内部反馈电阻(dinz)R。第27页/共42页第二十八页，共42页。（1）分

22、辨率）分辨率D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位位D/A转换器的分辨率为：转换器的分辨率为：3、D/A转换器的主要转换器的主要(zhyo)性能指标性能指标1.转换转换(zhunhun)精度精度（2）转换误差）转换误差 D/A转转换换器器的的转转换换误误差差是是指指输输出出模模拟拟(mn)电电压压的的实实际际值值与与理理 想值之差，即最大静态转换误差。想值之差，即最大静态转换误差。输入数字代码的位数输入数字代码的位数n越越多多，分辨率值越，分辨率值越小小，分辨能力越，分辨能力越高高。工程上习惯用输入数字量的工程上习惯用输入数

23、字量的有效位数有效位数n来表示分辨率。来表示分辨率。第28页/共42页第二十九页，共42页。（1）输出建立）输出建立(jinl)时间时间从输入数字信号起，到输出电压或电从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立出建立(jinl)时间。时间。2.2.转换转换(zhunhun)(zhunhun)速度速度第29页/共42页第三十页，共42页。一、分类一、分类(fn li)(fn li)：按工作原理分类按工作原理分类并行比较型并行比较型逐次逼近型逐次逼近型双积分型双积分型V/FV/F转换型转换型按转换方式分类按转换方式分类直接转换直接转换

24、逐次逼近型逐次逼近型双积分型双积分型V/FV/F转换型转换型间接转换间接转换并行比较型并行比较型13.2.2 A/D 13.2.2 A/D 转换器转换器转换器转换器 (ADC)(ADC)第30页/共42页第三十一页，共42页。时间离散时间离散(lsn)(lsn)采样、保采样、保持持辐值离散辐值离散(lsn)(lsn)量化、量化、编码编码二、二、A/D转换转换(zhunhun)的基本的基本原理原理A/D 转换过程应包括转换过程应包括：取样、取样、保持、保持、量化、量化、编码编码 这四个步骤这四个步骤。第31页/共42页第三十二页，共42页。采样采样采样采样(ci(ci yn)yn)电路电路电路电

25、路要求要求(yoqi)在采样时间内，信号维持不变，以提供足够在采样时间内，信号维持不变，以提供足够(zgu)的转换时间。的转换时间。采样后保持原信号特征。采样后保持原信号特征。采样定理采样定理 采样频率大于采样频率大于2倍输入倍输入信号频率的最大值。信号频率的最大值。第32页/共42页第三十三页，共42页。取样(qyng)保持电路 取样脉冲高电平期间，开关S闭合，电容(dinrng)CH采样,vo=vi;voviCHA1A2开关驱动电路S 取样(qyng)脉冲低电平期间，开关S断开，电容 CH无放电回路，忽略各种漏电流，电容CF保持；vo 保持。电子开关取样保持电容A V1=1第33页/共42

26、页第三十四页，共42页。量化编码量化编码量化编码量化编码(bin m)(bin m)为了产生为了产生(chnshng)量化编码，在设计（或选择）量化编码，在设计（或选择）A/D器件时，首先应器件时，首先应确定最小量化单位，即单位数字量所代表的模拟量。确定最小量化单位，即单位数字量所代表的模拟量。如量化单位用如量化单位用 表示表示(biosh)，量化过程为：，量化过程为：把要转换的模拟量除把要转换的模拟量除，得：，得：整数部分，用二进制表示，即得转换数字量。整数部分，用二进制表示，即得转换数字量。余数部分，即量化误差。余数部分，即量化误差。量化单位越小量化单位越小转换位数越多转换位数越多量化误差

27、越小。量化误差越小。把量化的结果用二进制代码把量化的结果用二进制代码 表示出来，称为表示出来，称为“编码”。经编码后得到的代码就是经编码后得到的代码就是A/D转换器转换器输出的数字量。第34页/共42页第三十五页，共42页。三、并联三、并联(bnglin)比较型比较型A/D转换转换器器精密电精密电阻阻(dinz)网络网络（23个个电阻电阻(dinz)）输入输入(shr)模拟模拟电压电压精密参考电精密参考电压压输出输出数字数字量量VREF/153VREF/155VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/1513VREF/15-+C0-+C1-+C2-+C3-+C4-+C5-+C

28、6第35页/共42页第三十六页，共42页。vI I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF/15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VREF/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 13VREF/15 vI 15VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1

29、 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 比较器的输出状态由比较器的输出状态由D D触发器存储，经优先编码触发器存储，经优先编码(bin m)(bin m)器编码器编码(bin(bin m)m)，得到数字量输出。，得到数字量输出。并联(bnglin)比较型ADC特点：1.转换转换(zhunhun)速速度快；度快；2.结构复杂。结构复杂。例如：例如：uI4.2V，UREF6V。则数字量输出则数字量输出d2d1d0101。第36页/共42页第三十七页，共42页。四、逐次逼近四、逐次逼近

30、(bjn)型型A/D转换器框图转换器框图第37页/共42页第三十八页，共42页。逐次逼近转换过程逐次逼近转换过程(guchng)(guchng)与用天平称物重非常相似与用天平称物重非常相似第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次再加再加4克克再加再加2克克再加再加1克克8 克克砝码砝码(f m)总重总重 待测重量待测重量Wx，8克砝码克砝码(f m)保留保留砝码砝码(f m)总重仍总重仍 待测重量待测重量Wx，2克砝码撤除克砝码撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，1克砝码保留克砝码保留所加砝码所加砝码重量重量 结果结果8 克克12 克克12 克克13 克克 所用砝码重量：所用砝

31、码重量：8克克、4克克、2克克和和1克设待秤重量克设待秤重量Wx=13克。克。称重过程称重过程 第38页/共42页第三十九页，共42页。3 3位逐次位逐次(zh c)(zh c)渐渐近型近型A/DA/D转换转换器的器的电电路原理路原理图图第39页/共42页第四十页，共42页。10000000 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 1第40页/共42页第四十一页，共42页。逐次逐次逐次逐次(zh c)(zh c)逼近型逼近型逼近型逼近型ADCADC的特点：的特点：的特点：的特点：速度速度(sd)较高；较高；精度较高；精度较高；A/D转换转换(zhunhun)器的转换器的转换(zhunhun)精度与精度与转换转换(zhunhun)速度速度 一、分辨率：以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数 越多，量化误差越小，转换精度越高。越多，量化误差越小，转换精度越高。三、转换时间：完成一次完成一次 A/D转换所需要的时间，即从它转换所需要的时间，即从它 接到转换命令起直到输出端得到稳定的数接到转换命令起直到输出端得到稳定的数 字量输出所需要的时间。字量输出所需要的时间。二、转换误差：实际转换值和理想输出值之间的最大偏差。实际转换值和理想输出值之间的最大偏差。第41页/共42页第四十二页，共42页。