第七章一7855定时器及其主要应用 783由555定时器组成的施密特触发器 a|②「@位 VREF >VREF H waH,特保 0.OluF REFI m实现电平转换 v 第七章一78555定时器及其主要应用 784由55定时器组成的多谐振荡器 出 aan@③a VBRHL >VaH,持 C=VC 001uF T=R2 CIn 2 REFI T2=(R1+R2)CI2 REF T=T1+T2=(R1+2R2)Cln20 R2 R1+2R2
1 1 清华大学电子工程系李冬梅 7.8.3 由555定时器组成的施密特触发器 1 6 2 5 7 3 8 555 4 VCC1VCC2 RC v02 v01 v1 0.01µF 555功能表 输 入 输 出 ⑥VI1 ②VI2 ④复位 ③VO T28 × × L L √ VREF1 >VREF2 H L √ VREF2 H 保持 保持 VOH VOL VREF1 VREF2 vO v 0 I 0 t vO1 0 t vI VREF1 VREF2 第七章－7.8 555定时器及其主要应用 vvo2o2实现电平转换 实现电平转换 2 清华大学电子工程系李冬梅 7.8.4 由555定时器组成的多谐振荡器 555功能表 输 入 输 出 ⑥VI1 ②VI2 ④复位 ③VO T28 × × L L √ VREF1 >VREF2 H L √ VREF2 H 保持 保持 0 t vO VREF1 0 t vC VREF2 1 6 2 5 7 3 8 555 4 VCC 0.01µF vO C + - vC R1 R2 T1 = R2C ln 2 T2 = (R1 + R2 )C ln 2 T = T1 + T2 = (R1 + 2R2 )C ln 2 1 2 1 2 R 2R R T T D + = = T1 T2 第七章－7.8 555定时器及其主要应用
大学电 第七章脉冲波形产生与处理电路 第七章基本要求 1.掌握脉冲波形基本参数及参数间的关系; 2.了解TTL与非门原理,主要特性参数; 3.掌握555定时器原理、功能及应用; 4.掌握单稳态触发器的功能、分析方法及典型电路 由555运放等组成的); 5.掌握多谐振荡器的功能、分析方法及典型电路。 3 第八章 第8章模数转换器和数模转换器 (AD与D/A转换器 概述 什么是AD、D/A转换器 模数转换器一一将模拟量转换为数字量的电路 (Analog to Digital Converter) 数模转换器一一将数字量转换为模拟量的电路 Digital to analog Converter)
2 3 清华大学电子工程系李冬梅 第七章 基本要求 第七章 基本要求 1. 掌握脉冲波形基本参数及参数间的关系； 2．了解TTL与非门原理，主要特性参数； 3．掌握555定时器原理、功能及应用； 4．掌握单稳态触发器的功能、分析方法及典型电路 （由555、运放等组成的）； 5．掌握多谐振荡器的功能、分析方法及典型电路。 第七章 脉冲波形产生与处理电路 4 清华大学电子工程系李冬梅 第8章 模数转换器和数模转换器 （A/D与D/A转换器） 第八章 概述 什么是A/D、D/A转换器 模数转换器－－将模拟量转换为数字量的电路 （Analog to Digital Converter）。 数模转换器－－将数字量转换为模拟量的电路 （ Digital to Analog Converter）
大学电子工程 第八章模数转换器和数模转换器概述 数据转换的意义 连接模拟世界与数字系统的桥梁 数字化发展 3物理环境的限制 3数据转换的重要性不可替代 集成电路的发展趋势SOC Analog world 第八章模数转换器和数模转换番概述 2、SOC中数据转换器的特殊性 数据转换对数据处理应用系统性能的限制 一往往表现为瓶颈,限制了整体速度和精度 (若保持与相应数字系统相当的性能,设计难度很大 3数字电路考虑的综合指标:速度、功耗 模拟电路考虑的综合指标:速度、功耗、精度(包括分 辨率、动态范围、线性度) 3同一芯片中数字部分对模拟部分敏感信号的噪声耦合 (通过共用电漂线、衬底电流、相邻走线串扰 3工艺的限制 命VLS技术采用的工艺是用来提高数字电路性能的 e最件噪声和器件性能的精确控制通常被ⅤSI的优化工艺所忽略 命典型的器件模型对模拟器件重要参数考虑很少 6
3 5 清华大学电子工程系李冬梅 1、数据转换的意义 集成电路的发展趋势——SOC ADC ADC DSP DSP DAC DAC Analog world a 数字化发展 a 物理环境的限制 a 数据转换的重要性——不可替代 连接模拟世界与数字系统的桥梁 连接模拟世界与数字系统的桥梁 第八章 模数转换器和数模转换器—概述 6 清华大学电子工程系李冬梅 2、SOC中数据转换器的特殊性 数据转换对数据处理应用系统性能的限制 ——往往表现为瓶颈，限制了整体速度和精度 （若保持与相应数字系统相当的性能，设计难度很大） D 器件噪声和器件性能的精确控制通常被VLSI的优化工艺所忽略 D 典型的器件模型对模拟器件重要参数考虑很少 a 数字电路考虑的综合指标：速度、功耗 模拟电路考虑的综合指标：速度、功耗、精度（包括分 辨率、动态范围、线性度 ） a 工艺的限制 D VLSI技术采用的工艺是用来提高数字电路性能的。 a 同一芯片中数字部分对模拟部分敏感信号的噪声耦合 （通过共用电源线、衬底电流、相邻走线串扰） 第八章 模数转换器和数模转换器—概述
第八章模数转换器和数模转换器概述 2、SOC中数据转换器的特殊性 数据转换对数据处理应用系统性能的限制 往往表现为瓶颈,限制了整体速度和精度 (若保持与相应数字系统相当的性能,设计难度很大) 3数字电路考虑的综合指标:速度、功耗 尴圳幽歐虐的竺人出坛,擲廢竹嬉庄【包A 低电压、小尺寸带来很多理论上无法预测的影响: 动态范围减小; 器件固有增益下降 器件失配增加。 3工艺的限制 VLS技术采用的工艺是用来提高数字电路性能的。 ●器件噪声和器件性能的精确控制通常被ⅤLS的优化工艺所忽略 ●典型的器件模型对模拟器件置要参数考虑很少 第八章模数转换器和数模转换器概述 3、数据转换器的发展方向 易于集成化实现,特别是能与数 字集成电路工艺兼容。 高速度。 ●高精度。 鲁低功耗
4 7 清华大学电子工程系李冬梅 2、SOC中数据转换器的特殊性 数据转换对数据处理应用系统性能的限制 ——往往表现为瓶颈，限制了整体速度和精度 （若保持与相应数字系统相当的性能，设计难度很大） D 器件噪声和器件性能的精确控制通常被VLSI的优化工艺所忽略 D 典型的器件模型对模拟器件重要参数考虑很少 a 数字电路考虑的综合指标：速度、功耗 模拟电路考虑的综合指标：速度、功耗、精度（包括分 辨率、动态范围、线性度 ） a 工艺的限制 D VLSI技术采用的工艺是用来提高数字电路性能的。 a 同一芯片中数字部分对模拟部分敏感信号的噪声耦合 （通过共用电源线、衬底电流、相邻走线串扰） 低电压、小尺寸带来很多理论上无法预测的影响： 动态范围减小； 器件固有增益下降； 器件失配增加。 低电压、小尺寸带来很多理论上无法预测的影响： 动态范围减小； 器件固有增益下降； 器件失配增加。 第八章 模数转换器和数模转换器—概述 8 清华大学电子工程系李冬梅 3、数据转换器的发展方向 V 易于集成化实现，特别是能与数 字集成电路工艺兼容。 V 高速度。 V 高精度。 V 低功耗。 第八章 模数转换器和数模转换器—概述
大学电子工程 第八章模数转换器和数模转换器概述 4、数据转换器的应用举例 (1)数据传输系统 发送端 模拟放大AD编码调制发射 信号 接收端: 解调|解码D/A放大执行 9 第八章模数转换器和数模转换器概述 4、数据转换器的应用举例(续) (2)数字控制系统 显示 模拟传感 信号番放大AD「处理 执行 DIA (3)数字测量仪表 衰减器AD显示
5 9 清华大学电子工程系李冬梅 4、数据转换器的应用举例 第八章 模数转换器和数模转换器—概述 (1) 数据传输系统 发送端： 模拟 信号 放大 A/D 编码 调制 发射 接收端： 解调 解码 D/A 放大 执行 10 清华大学电子工程系李冬梅 4、数据转换器的应用举例（续） 第八章 模数转换器和数模转换器—概述 (2) 数字控制系统 模拟 信号 传感 器 放大 A/D 处理 显示 执行 D/A (3) 数字测量仪表 vx 衰减器 A/D 显示
大学电子工程 第八章模数转换器和数模转换器 81A/D与DA转换的基本原理 般可把信号分为: 模拟信号:时间上、幅度上均连縷; 数字信号:时间上、幅度上均离散; 采样信号:时间上离散、幅度上连续。 第八章-81AD与DA转换的基本原理 811模拟信号与采样信号间的转换 拟信号转换成采样信号 采样电路 Tc:采样时间; 开关闭合,vo=v1 Ts:采样周期:采样频率 TsTc:开关断开,vo=0
6 11 清华大学电子工程系李冬梅 8.1 A/D与D/A转换的基本原理 一般可把信号分为： z 模拟信号：时间上、幅度上均连续； z 数字信号：时间上、幅度上均离散； z 采样信号：时间上离散、幅度上连续。 第八章 模数转换器和数模转换器 12 清华大学电子工程系李冬梅 1．模拟信号转换成采样信号 z 采样电路： 8.1.1 模拟信号与采样信号间的转换 v S I vO vL TS 0 t vI 0 t vL t 0 vO TC：采样时间； 开关闭合，vO=vI TS：采样周期 fS：采样频率 TS-TC：开关断开，vO=0 TC 第八章－8.1 A/D与D/A转换的基本原理
第八章-8.1-8.1.1模拟信号与采样信号间的转换 2.采样定理 基带信号:有限带宽 ∫采样:产生新的频率分量 恢复基带信号:低通 max 无失真,要求: ∫-Jma≥fmax 采样 ∫s /s f 模拟 采样 信号 f s-fmax fs 信号 LPT 第八章-81AD与DA转换的基本原理 812采样信号与数字信号间的转换 1.采样信号→数字信号D=Dn1Dn2…D1D 配化—将采样值转化成最小单位的整数倍N的过程 量化单位△ 量化的最小单位D=00.时所代表的数值(v1s) 量化误差 与n有关,与量化方法有关 (1)只舍不入(舍尾求整法 例:A=1/8V 0~1y→0(0△) (1△)最大量化 量化误差 误差:△ △2△3A4A5△6△7△ 1入信号 y(7△) 简单取整量化方式的输入输出特性及量化误差
7 13 清华大学电子工程系李冬梅 2．采样定理 f 0 vI fmax f 0 vO fmax fS 2fS fS - fmax fS - fmax ffS≥2fmax S≥2fmax 模拟 信号 模拟 信号 采样 信号 采样 信号 采样采样 LPT LPT 基带信号：有限带宽 fS采样：产生新的频率分量 恢复基带信号：低通 无失真，要求： fS - fmax≥ fmax 第八章－8.1 -8.1.1 模拟信号与采样信号间的转换 14 清华大学电子工程系李冬梅 8.1.2 采样信号与数字信号间的转换 D Dn 1Dn 2 D1D0 = ⋅ ⋅⋅ − − z 量化——将采样值转化成最小单位的整数倍N的过程 z 量化单位Δ ——量化的最小单位(D＝00…1时所代表的数值(VLSB)） z 量化误差 与n有关，与量化方法有关。 (1) 只舍不入（舍尾求整法） 例： Δ=1/8 V 0 (0 ) 8 1 0 ~ V → V ∆ (1 ) 8 1 8 2 ~ 8 1 V V → V ∆ ( 2 ) 8 2 8 3 ~ 8 2 V V → V Δ ( 7 ) 8 7 8 8 ~ 8 7 V V → V ∆ 最大量化 误差： Δ 最大量化 误差： Δ 1．采样信号→数字信号 第八章－8.1 A/D与D/A转换的基本原理 简单取整量化方式的输入/输出特性及量化误差 Δ 2Δ 3Δ 4Δ 5Δ 6Δ 7Δ 输入信号 vI 001 010 011 100 101 110 111 输出信号 D Δ 2Δ 3Δ 4Δ 5Δ 6Δ 7Δ 输入信号 vI 量化误差 （a） （b）
第八章-8.18.1.2采样信号与数字信号间的转换 1.采样信号→数字信号(续) (2)有舍有入(四舍五入法 例:△=2/15V 分NF→0F(0△) v(1△) L51→5(2△) 输入信号v sp、1s 13 14 量化误差 15→ (7△) 最大量化误差:△/2 号号号学6 电路实现: 采样量化,N编码,D性及程化 第八章-8.1-8.1.2采样信号与数字信号间的转换 2.数字信号→呆样信号 D=DD D,D ∑ vo()与D成正比 4△ D A=AREF 2 转换方法 0000010100111001011101 按权转换再相加(译码) 数字输入 3位DA转换器输入/输出特性 3.A、D转换关系 采样 采样詹冬量化编码 DA:D译码→采样信号IPE→A 8
8 15 清华大学电子工程系李冬梅 四舍五入量化方式的输入/输出特性及量化误差 3Δ 5Δ 7Δ 9Δ 11Δ13Δ 输入信号 vI 001 010 011 100 101 110 111 输出信号 D 输入信号 vI 量化误差 （a） （b） 2 2 2 2 2 2 Δ 2 3Δ 5Δ 7Δ 9Δ 11Δ13Δ 2 2 2 2 2 2 Δ 2 Δ 2 Δ 2 0 (2) 有舍有入（四舍五入法） 0 (0 ) 15 1 0 ~ V → V ∆ (1 ) 15 2 15 3 ~ 15 1 V V → V ∆ ( 2 ) 5 4 15 5 ~ 15 3 V V → V ∆ ( 7 ) 15 14 15 15 ~ 15 13 V V → V ∆ 最大量化误差 最大量化误差: : ΔΔ/2/2 . . 例： Δ=2/15 V 第八章－8.1-8.1.2 采样信号与数字信号间的转换 z电路实现： 采样 N 量化 D 编码 1．采样信号→数字信号（续） 16 清华大学电子工程系李冬梅 2．数字信号→采样信号 z vO(iO)与D成正比 D Dn 1Dn 2 D1D0 = ⋅⋅⋅ − − i n i D Di 2 1 0 (10) = ∑ × − = 3．A、D转换关系 A 采样信号 采样 D 量化编码 A/D: 采样信号 译码 A LPF D/A: D REF n D A A 2 = • z 转换方法： 按权转换再相加（译码） 第八章－8.1-8.1.2 采样信号与数字信号间的转换 3 位 D/A 转换器输入/输出特性 000 001 010 011 100 101 110 111 数字输入 模拟输出 Δ 2Δ 3Δ 4Δ 5Δ 6Δ 7Δ 0
大学电子工程 第八章-8.18.1.2采样信号与数字信号间的转换 4.组成单元 模拟开关; 转换网络; 基准电压源 运放; 比较器; 果样一保持电路; 逻辑电路; 第八章模数转换器和数模转换器 82D/A转换器 821D/A的主要技术参数 分辨率 (1)定义:转换器所能分辨的最小输出电压(v1sB)和 最大输出电压(V)的比值。 分辨率 分辨率 SB 转换精度 转换误差 转换速度 (2)意义:n→Ⅴsg↓→分辨率↑ 电路理想,n有限时的最大误差为Ⅴ1s 理论上的最高转换精度!(设计参数)
9 17 清华大学电子工程系李冬梅 4．组成单元 •模拟开关； •转换网络； •基准电压源； •运放； •比较器； •采样－保持电路； •逻辑电路； 第八章－8.1-8.1.2 采样信号与数字信号间的转换 18 清华大学电子工程系李冬梅 8.2 D/A转换器 转换精度 转换速度 分辨率 转换误差 1．分辨率 (1) 定义：转换器所能分辨的最小输出电压（VLSB）和 最大输出电压（Vom）的比值。 分辨率 2 1 1 − = = n om LSB V V (2) 意义：n↑→VLSB↓→分辨率↑ 电路理想，n有限时的最大误差为VLSB。 理论上的最高转换精度！（设计参数） 8.2.1 D/A的主要技术参数 第八章 模数转换器和数模转换器
大学电子工 第八章8.2DA转换器 821D/A的主要技术参数(续一) 2.转换误差(元件参数误差,电路非理想 (1)定义ε实际转换精度与分辨率(理想转换精度)之间的 误差。 失调误差、增益误差、线性误差(积分、微分) (2表示方法 。m的百分数; 最低有效位的倍数;如:VsB 第八章8.2DA转换器 821D/A的主要技术参数(续二) 建立时间(满量程建立时间) 定义(t) D从全0变为全1, v从0变为。m规定误差范围 内(如1/2vsB)所需时间 D/A转换器的建立时间te
10 19 清华大学电子工程系李冬梅 2．转换误差 （元件参数误差，电路非理想） (1)定义：实际转换精度与分辨率（理想转换精度）之间的 误差。 失调误差、增益误差、线性误差（积分、微分） 8.2.1 D/A的主要技术参数（续一） 第八章-8.2 D/A转换器 (2)表示方法 Vom的百分数； 最低有效位的倍数；如： VLSB 2 1 20 清华大学电子工程系李冬梅 3．建立时间（满量程建立时间） 8.2.1 D/A的主要技术参数（续二） 第八章-8.2 D/A转换器 时间 t vO 0 建立时间 tset Vom D/A 转换器的建立时间 tset 定义（tset）： D从全0变为全1， vo从0变为Vom规定误差范围 内（如1/2VLSB） 所需时间