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 O S C = 10 M H z ⋅ ∣ 20 k N ⋅ R S E T ∣ f_{OSC} = 10MHz \cdot \left| { { {20k} \over {N \cdot R_{SET} }}} \right| fOSC=10MHz⋅∣∣∣∣N⋅RSET20k∣∣∣∣
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USING THE 555 TIMER IC IN SPECIAL OR UNUSUAL CIRCUITS 给出了基于555时基芯片应用电路。
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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。
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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。
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§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：
f = 1 2 × S r a t e ( M H i g h − M l o w + 1 C s t e p ) f = {1 \over {2 \times S_{rate} \left( { { {M_{High} - M_{low} + 1} \over {C_{step} }}} \right)}} f=2×Srate(CstepMHigh−Mlow+1)1
其中：
- S r a t e S_{rate} Srate ：是由内部寄存器（time per step）给定；
- M h i g h , M l o w M_{high} ,M_{low} Mhigh,Mlow ：是由DAC输出数值编码；
- C s t e p C_{step} Cstep ：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 R_1 ,R_2 R1,R2 给出比较器参考电压 V F B VFB VFB ，这样内部的三角波经过比较之后，就会在 O U T OUT OUT 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 R_1 ,R_2 R1,R2 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 VFB VFB 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 VFB VFB 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。
▲ 图2.3.6 设置DAC53701为具有滞回特性的比较器
由于DAC53701内部DAC输出电压是可以通过内部寄存器进行配值，所以对应的滞回比较的两个参考电压数值是可以改变的。 而555定时器的滞回比较电压只能是工作电源的1/3和2/3。 这一点使得DAC43701应用更加灵活。
下图给出了DAC53701作为滞回比较器时电路各点的电压信号波形。
▲ 图2.3.7 DAC53701滞回比较输出波形
应用滞回特性，再加上R、C电路，可以再次形成单稳态、双稳态、无稳态电路等。
四、总结
利用DAC53701完成555常见到的功能，不仅具有强的参数配置灵活性，主要的震荡频率、滞回电压等都是内部可编程，不依赖于外部的阻容器件，所以精度很高。比如在室温下，频率精度高于优于1%，这比常见到的555定时器电路都要好。
当然，相比于传统的555电路， DAC53701还具有一定的局限性， 比如它的价格还是偏高，工作电压范围比较窄（1.8V - 5.5V），静态功耗略高于CMOS的555集成电路等。
※ 总 结 ※
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。
■ 相关文献链接:
- 555 timer - large inaccuracies with precision components [duplicate]
- LTC6900CS5
- USING THE 555 TIMER IC IN SPECIAL OR UNUSUAL CIRCUITS
- 555 Precision Timers Datasheet
- Considering TI Smart DACs As an Alternative to 555 Timers
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