使用DAC来替代555时基电路

Posted 2022-05-31 卓晴

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了使用DAC来替代555时基电路相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

简介：本文给出了基于DAC53701来实现555定时器主要功能的方案。在产生信号的精度上，DAC53701具有很大的优势。

关键词： DAC53701，555

§01 555定时器

一、问题提出

卓大大555定时器产生方波的频率怎么样才能精度更高呀？

▲ 图1.1.1 555用于施密特触发整形电路

二、文献调研

555 timer - large inaccuracies with precision components [duplicate] 对于555定时器精度进行了讨论。其中提到一个用于单个电阻编程的 LTC6900CS5 ，可以产生5kHz 到 10MHz的方波输出震荡波形。这款芯片的价格相对比较昂贵。（）

▲ 图1.1.2 LTC6900 典型应用电路

f_OSC = 10MHz \\cdot \\left| 20k \\over N \\cdot R_SET \\right|

USING THE 555 TIMER IC IN SPECIAL OR UNUSUAL CIRCUITS 给出了基于555时基芯片应用电路。
555 Precision Timers Datasheet :555时基电路数据手册给出了相应的应用典型电路。特别是手册后面给出不同芯片（NA555,NE555,SA555,SE555）对应的技术手册和设计软件。
Considering TI Smart DACs As an Alternative to 555 Timers 给出了利用TI Smart DAC 实现555的功能的示例，非常有用处。

§02 DAC替代555

一、555电路提问

前天在公众号后台，看到有同学询问如何提高555定时器电路产生方波信号的精度。

卓大大555定时器产生方波的频率怎么样才能精度更高呀？

当然，如果提问的同学现在已经对555定时器电路工作原理有了了解，也懂得产生方波信号的频率所依赖的外部阻容器件的关系，那么就可以寻找到提高555定时器电路精度的方法。

▲ 图2.1.1 NE7555内部功能框图

影响定时器精度因素可以分为两个方面。

系统误差：也就是影响方波频率所依赖的555时基电路内部参考分压电源准确度，定时电阻，电容示值精度等。通常情况下，如果不要求555输出驱动电流大的情况下，选择7555系列的CMOS版本的时基电路，工作在5V以上的电压时产生频率可以优于5%的计算频率。
随机误差：包括环境温度影响外部R,C器件变化，电路噪声使得输出方波产生相位抖动等。

为了使得输出频率精确达到所需要的频率，往往需要在外围电阻上附加一个精密可调电阻，通过硬件调整使得输出频率达到需要的精度范围。

实际上，如果不是因为成本问题，现在使用一个8PIN，甚至6PIN的单片机，产生所需要频率的方波可能更方便。

二、Smart DAC

在网络上浏览提高555定时器精度文献时，看到一篇来自于TI的工程应用报告： Considering TI Smart DACs As an Alternative to 555 Timers 给出了利用TI Smart DAC 实现555的功能的方法。

这款10-bit DAC，型号为DAC53701，号称Smart DAC，其内部不仅集成DAC所需要的的高精度参考电源，DAC转换电路、I2C和SPI接口电路，相比于其他DAC，它还有以下特点：

内部有掉电保护存储器保存所有设置参数；
具有一个波形发生器，可以产生三角波、锯齿波、方波信号；
输出缓冲放大器，反馈引脚外部引出。
具有可编程输入端口；

芯片也是8PIN封装。内部功能参考图如下图所示。

▲ 图2.2.1 DAC53701内部功能框图

三、实现555功能

由于DAC53701具有内部EEPROM存储器，通过I2C/SPI设定的功能可以在上电启动后自动回复。下面给出实现555定时器几种主要功能的电路配置。

1、输出方波信号

这部分应用到DAC53701波形发生器的功能。通过设置，使其内部产生三角波信号。相应的频率有下面公式计算所得：

$\\over 2 \\times S_rate \\left( M_High - M_low + 1 \\over C_step \\right)$

其中：

$S_rate$ ：是由内部寄存器（time per step）给定；
$M_high ,M_low$ ：是由DAC输出数值编码；
$C_step$ ：每步变化DAC数值；

以上数值都有DAC53701掉电保持寄存器给出。

使用DAC53701产生输出方波电路如下图所示。将DA53701输出缓冲运放改成比较器工作模式，有外部分压电阻 $R_1 ,R_2$ 给出比较器参考电压 $V F B$ ，这样内部的三角波经过比较之后，就会在 $O U T$ 端口产生输出方波。然后在经过一级NMOS进行放大去除，可以获得更好的方波波形。

▲ 图2.3.1 DAC53701产生方波电路图

下图给出了利用DAC53701产生的1.5kHz，占空比为60%的方波信号。改变 $R_1 ,R_2$ 分压可以改变输出方波占空比，改变DAC内部寄存器数值可以改变输出频率。

▲ 图2.3.2 DAC53701产生方波波形

2、输出PWM信号

在上面电路的基础上，改变 $V F B$ 可以产生占空比可变的PWM波形。可以知道输出的PWM波形占空比与输入 $V F B$ 电压之间为线性关系。而使用555电路中的CONT电压变化产生的PWM波形，对应的占空比与CONT电压之间不是严格的线性关系。

▲ 图2.3.3 DAC53701产生PWM波形电路

▲ 图2.3.4 DAC53701产生的正弦调制的PWM波形

3、施密特比较器

在555电路中，将PIN6（THRESHOLD）和PIN2（/TRIGGER）连接在一起作为输入，此时555的输出与输出之间就是一个带有滞回特性比较器（Schmitt Trigger），通常用于对信号波形进行整形，或者将原来的模拟信号转换成高低电平的数字信号。

下图显示了555电路作为滞回比较器时对输入的正弦波转换成方波的工作波形。

▲ 图2.3.5 在555集成电路的TRIG/THRESHOLD输入正弦波，OUT输出整形后的方波

利用DAC53701的GPI功能，可以将其配置成具有滞回比较特性的Schmitt 比较器。 GPI可以用于选择内部DAC的输出数值，因此可以改变内部比较器 V+ 的数值。所以把VOUT通过反馈连接到GPI，就可以动态改变内部比较器的参考电压。设置合适的GPI对应的DAC数值，这个反馈就会形成滞回特性比较特性。反馈回路中的RC滤波可以消除比较器切换过程中的抖动。