计算机脉冲与信号转换电路.

图8.10 R-2R 倒T型电阻网络D/A转换器
1. 输入D3D2D1D0=1000时的情况 此时，图8.10所示电路可简化成图8.11。
图8.11
输入数字量为1000时的情况
由于 D2=D1=D0=0 ，根据电阻串并联的规律，有 REQ=2R 。 由于运放的反相端是虚地，所以实际上没有电流REQ。故流过电 阻Rf的电流为
图8.13
输入数字量为0010时的情况
流过电阻Rf的电流为
1.25 If I 2R
由此可以得到对应输入数字量0010的模拟量输出电压是：
1.25 U O I f R f 2 R 1.25V 2R
4. 输入D3D2D1D0=0001时的情况 此时，图8.10所示电路可简化成图8.14。
● 教学要求：掌握脉冲信号的基本概念；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。
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8.1 脉冲信号概述
● 8.1.1 什么是脉冲信号
脉冲是指在短暂时间间隔内作用于电路的电压或电流。图8.1所示 就是常见的几种脉冲波形。脉冲可以是周期性重复的，也可以是非周 期性的或单次的。
If I 5 2R
由此可以得到对应输入数字量1000的模拟量输出电压是：
5 U O I f R f 2 R 5V 2R
2. 输入D3D2D1D0=0100时的情况 此时，图8.10所示电路可简化成图8.12。
图8.12
输入数字量为0100时的情况
流过电阻Rf的电流为
If I 2 .5 2R
由此可以得到对应输入数字量0100的模拟量输出电压是：
2.5 U O I f R f 2 R 2.5V 2R
3. 输入D3D2D1D0=0010时的情况 此时，图8.10所示电路可简化成图8.13。
输出 放电管状态 导通 截止 导通 不变
● 8.2.3
555定时器的应用
1. 用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。
图8.6
路灯自动控制电路
图8.7 60秒定时电路
3. 用555定时器成的60秒定时电路
电路原理如图8.7所示。当按下定时按钮SB时，小灯泡L发亮，定 时开始；经过若干时间后，小灯泡L熄灭，定时结束。调整电位器W， 可令电路定时为60秒一个周期。
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。 图8.8给出了一个典型的计算机处理系统的框图。
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
教学提示与教学要求
●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。
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。


如果Rf = R，则对应于输入数字量0000 0001的最小输出电 压UOmin为
U O min U REF 28
对应于输入数字量1111 1111的最大输出电压UOmax为
U O max U REF 255 255 U O min 8 2
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。
用555构成的单稳态触发 器如图8.5（a）所示。 其中 R、C为定时元件。工作波形 如图8.5（b）所示。 输出脉 冲宽度约为1.1RC。
（a）电路原理图 （b）工作波形图 图8.5 555构成的单稳态触发器
2. 用555定时器构成的路灯自动控制电路
电路原理如图 8.6 所示。其中 T 为光敏三极管，当有光照时， c-e 之间的电阻变小；当光照变弱时，c-e之间的电阻变大。W为电位器， L为小灯泡。
8.2 555集成定时器及其应用
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。
U O 5 1.25 0.625 V 6.875 V
当输入的数字量为 8 位 D7 、 D6 、 D5 、 D4 、 D3 、 D2 、 D1 、 D0 时，输出的模拟量的大小可用下面的公式计算
UO U REF D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 2 3 4 5 6 7 8 Rf R 2 2 2 2 2 2 2 2 U REF R f 7 8 Di 2i 2 R i 0
脉冲波形的主要参数
为了对脉冲信号的波形进行 定量分析，表征和评价脉冲电路 的性能，定义了一些描述脉冲波 形的参数。不同的波形有不同的 参数。现以 图8.3所示的矩形脉 冲电压波形为例进行说明。
图8.3
脉冲波形的主要参数
(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。
图8.8
计算机处理系统框图
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。
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● 8.3.1
数模转换器原理
数模转换器的结构如图8.9所示，它由数码锁存器、电子开关、电 阻网络及求和电路组成。
图8.9 数模转换示意图
● 8.3.2
D/A转换器的技术指标
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 转换器的分辨率为 1/ （ 24-1 ） =1/15≈6.67% ， 10 位D/A转换器的分辨率为1/（210-1）=1/1023≈0.0978% 。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。
〖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？
解： U O U O min ai 2i 0.02V 1 26 1 2 4 1 2 2 1 20
(a) 图8.2 图8.1 各种脉冲波形
(b) 简单的脉冲产生电路
脉冲信号是一种模拟信号，产生与变换各种脉冲波形的模拟电路 称为脉冲电路。图8.2(a)是一个简单的脉冲产生电路。假设开关S开始 是接通的，则通过反复断开和接通开关 S，在R2上即可得到图8.2(b)所 示的电压波形变化。
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● 8.1.2
图8.14
输入数字量为0001时的情况
流过电阻Rf的电流为
If I 0.625 2R
由此可以得到对应输入数字量0001的模拟量输出电压是：
0.625 U O I f R f V 2 R 0.625 2R
如果输入的数字量不是上述 4 种情况，则肯定是上述 4 种情 况的叠加，相应的输出模拟量也是上述4种情况的叠加。例如， 若输入的数字量是1011，则输出的模拟量为