01 DAC替代555

一、555電路提問

前天在公眾號后臺，看到有同學(xué)詢問如何提高555定時器電路產(chǎn)生方波信號的精度。

當(dāng)然，如果提問的同學(xué)現(xiàn)在已經(jīng)對555定時器電路工作原理有了解，也懂得產(chǎn)生方波信號的頻率所依賴的外部阻容器件的關(guān)系，那么就可以尋找到提高555定時器電路精度的方法。

▲ 圖2.1.1 NE7555內(nèi)部功能框圖

影響定時器精度因素可以分為兩個方面。

• 系統(tǒng)誤差 ：也就是影響方波頻率所依賴的555時基電路內(nèi)部參考分壓電源準(zhǔn)確度，定時電阻，電容示值精度等。通常情況下，如果不要求555輸出驅(qū)動電流大的情況下，選擇7555系列的CMOS版本的時基電路，工作在5V以上的電壓時產(chǎn)生頻率可以優(yōu)于5%的信號頻率。
• 隨機(jī)誤差 ：包括環(huán)境溫度影響外部R,C器件變化，電路噪聲使得輸出方波產(chǎn)生相位抖動等。

為了使得輸出頻率精確達(dá)到所需要的頻率，往往需要在外圍電阻上附加一個精密可調(diào)電阻，通過硬件調(diào)整使得輸出頻率達(dá)到需要的精度范圍。

實際上，如果不是因為成本問題，現(xiàn)在使用一個8PIN，甚至6PIN的單片機(jī)，產(chǎn)生所需要頻率的方波可能更方便。

二、Smart DAC

在網(wǎng)絡(luò)上瀏覽提高555定時器精度文獻(xiàn)時，看到一篇來自于TI的工程應(yīng)用報告： Considering TI Smart DACs As an Alternative to 555 Timers ^[5]^ 給出了利用TI Smart DAC 實現(xiàn)555的功能的方法。

這款10-bit DAC，型號為DAC53701，號稱Smart DAC，其內(nèi)部不僅集成DAC所需要的的高精度參考電源，DAC轉(zhuǎn)換電路、I2C和SPI接口電路，相比于其他DAC，它還有以下特點：

• 內(nèi)部有掉電保護(hù)存儲器保存所有設(shè)置參數(shù)；
• 具有一個波形發(fā)生器，可以產(chǎn)生三角波、鋸齒波、方波信號；
• 輸出緩沖放大器，反饋引腳外部引出。
• 具有可編程輸入端口；

芯片也是8PIN封裝。內(nèi)部功能參考圖如下圖所示。

▲ 圖2.2.1 DAC53701內(nèi)部功能框圖

三、實現(xiàn)555功能

由于DAC53701具有內(nèi)部EEPROM存儲器，通過I2C/SPI設(shè)定的功能可以在上電啟動后自動回復(fù)。下面給出實現(xiàn)555定時器幾種主要功能的電路配置。

1、輸出方波信號

這部分應(yīng)用到DAC53701波形發(fā)生器的功能。通過設(shè)置，使其內(nèi)部產(chǎn)生三角波信號。相應(yīng)的頻率由下面公式計算所得：

▲ 圖2.3.3 DAC53701產(chǎn)生PWM波形電路

▲ 圖2.3.4 DAC53701產(chǎn)生的正弦調(diào)制的PWM波形

3、施密特比較器

在555電路中，將PIN6（THRESHOLD）和PIN2（/TRIGGER）連接在一起作為輸入，此時555的輸出與輸出之間就是一個帶有滯回特性比較器（Schmitt Trigger），通常用于對信號波形進(jìn)行整形，或者將原來的模擬信號轉(zhuǎn)換成高低電平的數(shù)字信號。

下圖顯示了555電路作為滯回比較器時對輸入的正弦波轉(zhuǎn)換成方波的工作波形。

▲ 圖2.3.5 在555集成電路的TRIG/THRESHOLD輸入正弦波，OUT輸出整形后的方波

利用DAC53701的GPI功能，可以將其配置成具有滯回比較特性的Schmitt 比較器。GPI可以用于選擇內(nèi)部DAC的輸出數(shù)值，因此可以改變內(nèi)部比較器 V+ 的數(shù)值。所以把VOUT通過反饋連接到GPI，就可以動態(tài)改變內(nèi)部比較器的參考電壓。設(shè)置合適的GPI對應(yīng)的DAC數(shù)值，這個反饋就會形成滯回特性比較特性。反饋回路中的RC濾波可以消除比較器切換過程中的抖動。

▲ 圖2.3.6 設(shè)置DAC53701為具有滯回特性的比較器

由于DAC53701內(nèi)部DAC輸出電壓是可以通過內(nèi)部寄存器進(jìn)行配值，所以對應(yīng)的滯回比較的兩個參考電壓數(shù)值是可以改變的。而555定時器的滯回比較電壓只能是工作電源的1/3和2/3。這一點使得DAC43701應(yīng)用更加靈活。

下圖給出了DAC53701作為滯回比較器時電路各點的電壓信號波形。

▲ 圖2.3.7 DAC53701滯回比較輸出波形

應(yīng)用滯回特性，再加上R、C電路，可以再次形成單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)、無穩(wěn)態(tài)電路等。

四、總結(jié)

利用DAC53701完成555常見到的功能，不僅具有強(qiáng)的參數(shù)配置靈活性，主要的震蕩頻率、滯回電壓等都是內(nèi)部可編程，不依賴于外部的阻容器件，所以精度很高。比如在室溫下，頻率精度高于優(yōu)于1%，這比常見到的555定時器電路都要好。

當(dāng)然，相比于傳統(tǒng)的555電路， DAC53701還具有一定的局限性， 比如它的價格還是偏高，工作電壓范圍比較窄（1.8V - 5.5V），靜態(tài)功耗略高于CMOS的555集成電路等。

※ 總 結(jié) ※

本文給出了基于DAC53701來實現(xiàn)555定時器主要功能的方案。在產(chǎn)生信號的精度上，DAC53701具有很大的優(yōu)勢。