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16 数字电路的应用
【课题】
16.1 集成555定时器及其应用
【教学目标】
知道555定时器的工作特点及用于脉冲波形的产生与变换的原理。
【教学重点】
1．集成555定时器。
2．单稳态触发器。
3．施密特触发器。
【教学难点】
1．电容器充、放电规律。
2．截止和导通的概念。
【教学过程】
【一、复习】
1．电容器的充、放电规律。
2．截止和导通的概念。
【二、引入新课】
集成555定时器是一种数字与模拟混合、中规模集成电路。利用它的“导通”和“截止”特性，可以方便地组成各种功能电路。
【三、讲授新课】
16.1.1　集成555定时器
图16.1为555定时器的外引脚排列图，其各引脚名称如表16.1所示。
表16.1　555定时器的外引脚
引 脚 名 称 引 脚 名 称
1 接地端（USS） 5 电压控制端（CO）
2 触发端（UTR） 6 阈值端（UTH）
3 输出端（uo） 7 放电端（D）
4 复位端（） 8 电源端（UDD）
图16.1　集成555定时器引脚排列图
表16.2为555定时器的逻辑功能表。表中“×”表示任意情况，“保持”表示555定时器保持原来的状态，“导通”和“截止”指555定时器内晶体管VT的工作状态。VT的集电极和发射极分别接在7脚和1脚间。
表16.2　555定时器的逻辑功能表
UTH UTR uO D
× × 0 0 导通
＞ ＞ 1 0 导通
＜ ＞ 1 保持 保持
× ＜ 1 1 截止
复位端= 0时，不论UTH、UTR取什么值，则定时器输出为0，VT饱和导通。
当= 1时，若UTH ＞,UTR＞, 则定时器输出为0，VT管饱和导通。
当= 1时，若UTR＜,则定时器输出为1，VT管截止。
当= 1时，若UTH ＜,UTR＞, 则定时器输出和VT管也继续保持原来状态。
16.1.2　555定时器的典型应用
1．多谐振荡器
多谐振荡器又称为无稳态触发器：它没有稳定状态，也不需要外加触发信号，接通电源就能输出一定频率和幅度的矩形脉冲信号，由于矩形脉冲波形含有丰富的谐波，所以称为多谐振荡器。
图16.2所示为555定时器组成的多谐振荡器和它的工作波形。
（a） （b）
图16.2　555定时器组成的多揩振荡器及工作波形
电路工作原理为：刚接通电源时，若电容C1两端电压uC0，555定时器的输出uo1,晶体管VT截止，7脚和1脚间相当于开关断开。电源通过R1、R2向C1充电，充电时间常数充（R1+R2）C1 。当uC略大于时，定时器的状态发生翻转，输出电压跳变为低电平，即uo0，VT饱和导通，相当于开关闭合，电容器C1通过R2对地放电，放电时间常数放R2C1。当uC下降到略小于时，定时器的状态再次发生翻转，输出电压跳变为高电平，即uo1，VT截止，相当于开关断开。电源再次通过R1、R2向C1充电，重复前面的过程，形成振荡。其波形如图16.2（b）所示。
2．单稳态触发器
图16.3是用555定时器所构成的单稳态触发器和它的工作波形。R、C为外接的定时元件，单稳态电路有一个触发信号输入端。
图16.3　555定时器构成的单稳态触发器及工作波形
电路工作原理为：刚接通电源时，若电容C1两端电压uC0，ui1（ui > ），VT饱和导通，相当于开关闭合，电路经过一个充放电过程后稳定下来。电源通过R向电容C充电，当uC增大到略大于时，定时器输出低电平，放电管VT导通，电容C通过放电管VT放电，使uC0,定时器输出低电平，电路维持这种状态不变。
当ui下降沿到来时，因ui ＜,定时器输出跳变为高电平，放电管截止，电路进入暂稳态，定时开始。电源通过R向C充电，充电时间常数充RC。当uC上升到略大于时，定时器输出低电平，放电管导通，定时结束。电容C经放电后，再回到稳态。当下一个触发脉冲到来时，重复上述过程。
3．施密特触发器
图16.4是用555定时器所构成的施密特触发器。
若输入信号ui如图16.4所示，当u <时，定时器输出为高电平；随着ui上升，当不 > ui>时，定时器保持原状态不变，输出仍为高电平；当ui>时，定时器状态改变，输出变为低电平。随着ui下降，当>u时，定时器保持原状态不变，输出仍为低电平；当ui < 时，定时器状态改变，输出变为高电平。对应输出波形如图16.4所示。
图16. 4　施密特触发器
【四、小结】
1．555定时器是一种数、模混合集成电路，其内部既有运放又有触发器。通过外部电路的不同组合，可构成多谐振荡器、单稳态触发器等。
2．多谐振荡器
（1）不需外加输入信号。
（2）输出信号没有稳定的状态，只有两个暂稳态。
（3）暂稳状态维持时间的长短主要取决于电路本身的定时元件R1、R2和C1的参数值，即T =0.7（R1+2 R2）C1。
3．单稳态触发器
（1）输出信号有一个稳定状态和一个暂稳状态。
（2）在外加控制脉冲作用下，由稳定状态翻转为暂稳状态。
（3）暂稳状态只能维持一定的时间，之后将自动返回到稳定状态，维持暂稳状态时间的长短与外加控制脉冲无关。仅取决于电路本身的定时元件R和C的参数值，即T 1.1 RC。
4．施密特触发器
（1）输出信号是两个稳定状态。
（2）两个稳定输出状态的翻转需要外加信号的触发。
（3）两个稳定输出状态的维持需要依赖于外加信号的高、低电平。
（4）外加触发信号由低电平上升时的转换电平和从高电平下降时的转换电平不同。
【五、习题】
一、是非题：1、2、3、4； 二、选择题：2、3。
【课题】
16.2 数模与模数转换器的概念
【教学目标】
知道数模与模数转换器的概念。
【教学重点】
数模转换器。
【教学难点】
数模转换器。
【教学过程】
【一、复习】
1．二进制的“权”。
2．万用表面板结构。
【二、引入新课】
数字万用表是应用AD转换器的典型例子。实质上，AD和DA转换的应用远不止这一点，而且其内容也复杂得多。
【三、讲授新课】
16.2.1　数模转换器
1．数模转换器：实现数字量转换为模拟量。转换的框图如图16.8所示。
图16.8　DAC示意框图
2．工作原理：输入的二进制数码存入寄存器，存入寄存器的二进制数，每一位控制着一个模拟开关，模拟开关只有两种可能的输出：或是接地或是经电阻接基准电压源。它由寄存器中的二进制数控制，模拟开关的输出送到加法网络，二进制数码的每一位都有一定的“权”，这个网络把每位数码变成它的加权电流，并把各位的权电流加起来得到总电流，总电流送入放大器，经放大器放大后得到与之对应的模拟电压。实现数字量与模拟量的转换。
16.2.2 模数转换器
1．模数转换器：实现模拟量转换为数字量。转换的框图如图16.9所示。
图16.9　ADC示意框图
2．工作原理：输入端输入的模拟电压，经采样、保持、量化和编码四个过程的处理，转换成对应的二进制数码输出。采样就是利用模拟开关将连续变化的模拟量变成离散的数字量，如图16.9中波形③所示。由于经采样后形成的数字量宽度较窄，经过保持电路可将窄脉冲展宽，形成梯形波，如波形④所示。量化和编码就是将梯形波中某一阶梯电压值转换为相应的二进制数码。这个过程就实现了模数转换。目前集成模数转换器种类较多，有8位也有10位模数转换器。
工作过程：被测信号由万用表表笔引入，通过功能选择开关将相应的不同性质、不同类型的参数转换为直流电压形式。然后通过量程选择将过大的信号适当衰减变小，将过小信号适当放大，以满足AD转换器对输入信号的要求，它将输入的直流电压转变成相应的二进制代码，并经过显示译码电路译码变换，显示器以十进制数码形式将测量结果直接显示出来。若被测信号极性为正时，直接显示数字；若被测信号极性为负时，则在所显示数字的前面出现“”号。
【四、小结】
1．数模与模数转换器应用十分广泛，特别是在采用数字化方式的自动控制系统中。可采用图16.10说明。
图16.10 生产过程中自动控制流程图
2．模数转换过程中的几个概念：（1）采样和保持；（2）量化和编码。
【五、习题】
三、填空题：1、2、3。

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