光控定时器2.doc

一、555时基集成电路555时基电路是一种应用很广泛的集成电路，它将模拟电路与数字电路巧妙地结合在一起，具有可以灵活使用的引出端，并且输出端具有比较强的带动负载的能力，555时基集成电路的电源电压适应范围较广，约为318V。其最大输出流为：工作电压等于15V时可达200mA，可直接驱动继电器、可控硅等常用的控制元器件。常见的555时基集成电路有NE555、LM555、5G1555等等。还有一种 * 556的集成电路芯片，其内部是由两个独立的555电路封装在一起，可作为两块555电路单独使用。【1】、555时基集成电路的内部电路结构其内部电路结构包括：一个由三个等值电阻组成的分压器、两个比较器、一个基本RS触发器、输出缓冲级和放电回路。555时基集成电路的内部方框图： 1、电阻分压器：由3个等值的电阻R1、R2和R3串联后，两端分别接到VDD和VSS，作用是将VDD分压成为：U1 =VDD 和 U2 = VDD 2、 两个比较器N1和N2：(1)、N1的正相输入端，作为555电路的TH（阈值端、6脚)。 N1的反相输入端，在电路内部接到分压器的U1，作为555电路的CV（控制端、5脚)。N1的输出端，接到内部的RS触发器的R（置“1”）端(2)、N2的正相输入端，在电路内部接到分压器的U2端。（没有引出端） N2的反相输入端，作为555电路的（触发端、2脚)。 N2的输出端，接到内部的RS触发器的S（置“0”）端(3)、两个比较器N1和N2的输入端与输出端的关系为： 当比较器的两个输入端为U+U- 时：比较器输出为高电平。当比较器的两个输入端为U+U- 时：比较器输出为低电平。3、 带复位端的R-S触发器：(1)、两个比较器N1和N2的输出端接到R-S触发器的两个输入端（R、S）。(2)、RS触发器的复位端()直接成为555电路的复位使能端（），当555电路的复位使能端（）为低电平时，R-S触发器的输出端(Q)为固定高电平，经倒相缓冲输出级，使555电路的输出端总是低电平，此状态为555电路复位状态。(3)、R-S触发器输出端(Q)的高电平，使放电管导通。(4)、两个比较器的输出端（N1和N1）与R-S触发器的逻辑关系为：当R-S触发器的复位端= 0时，R-S触发器电路复位：不管两个比较器输出端的状态如何，R-S触发器的输出总是高电平，故此时，不论555时基集成电路的TH、CV、三个输入端为何值，R-S触发器的输入状态如何，555电路的输出端OUT的输出总是为低电平。（555电路复位）当R-S触发器的复位端= 1时，R-S触发器电路正常工作，逻辑关系为： 两个比较器的输出，N1 = 1，N2 = 0时，则R-S触发器的输出端，Q = 1，两个比较器的输出，N1 = 0，N2 = 1时，则R-S触发器的输出端，Q = 0，4、 倒相缓冲输出级和放电管：（1）、非门G6构成倒相缓冲输出级，作用是使电路具有较大的带动负载的能力和起缓冲的作用。（2）、Q1为内部的放电管，作用是，在进行设计具体电路作为为辅助电路使用。（3）、Q1可以是场效应管，也可以是晶体管。当放电管栅极（基极）为高电平1时，放电管导通；当放电管栅极（基极）为低电平0时，放电管截止。（4）、根据电路结构可见：555电路的输出端为低电平（0）时，放电管导通。555电路的输出端为高电平（1）时，放电管截止。5、 由或非门G1、G2、G3和非门G4、G5构成带复位端的RS触发器：（1）、 由两个或非门G1和G2构成基本R-S触发器，G1的一个输入端作为触发器的置0端（RD）；G2的一个输入端作为触发器的置1端（SD），G2的输出端作为触发器的输出端（Q）。（2）、 由或非门G3和非门G4、G5构成复位电路及输出电路。（3）、 当= 0时，非门G5的输出为1，致使或非门G3的输出固定为0，（有1出0）从而使非门G4的输出也固定为1，此时不管R-S触发器的输入端R和S的状态如何，其输出端（Q）的状态都为1。（即R-S触发器复位）（4）、 当= 1时，输入端R = 1，S = 0时，输出端Q = 0。输入端R = 0，S = 1时，输出端Q = 1。6、基本R-S触发器： 可参考数字电子技术基础4.2.1（1）、用两个或非门或者两个与非门可以构成最简单的触发器，即基本R-S触发器。（2）、两个或非门构成的R-S触发器：RD为复位端，也称之为直接置0端，由于RD为高电平时使触发器置0，故称RD高电平有效。 SD为置位端，也称之为直接置1端，不管触发器原状态如何，SD为高电平时都将给触发器置1，所以置位端SD也是高电平有效。（3）、用与非门构成的R-S触发器和用或非门构成的R-S触发器具有完全相同的逻辑功能，但是它们的触发电平不同，前者的触发信号为低电平有效，后者的触发信号为高电平有效。【2】、555电路的TH、CV、TR输入端、DIS放电端与OUT输出端的关系：1、 当TH输入端电压大于2/3 VDD时，比较器N1输出为1，此时输入端电压也大于1/3 VDD，比较器N2输出为0，因此触发器输出端Q = 1，结果是OUT输出为0，放电管DIS也因Q的输出为1而导通。2、 当TH输入端电压小于2/3 VDD时，比较器N1输出为0，此时 输入端电压大于1/3 VDD，比较器N2输出为0，（因为是N2的反相输入端），因此Q输出端为0，放电管DIS也因Q的输出为0而截止。RS触发器原来状态不变，（即若原来状态是Q = 1。R-S触发器状态也保持不变）。3、 当TH输入端电压小于2/3 VDD时，比较器N1输出为0，此时 输入端电压小于1/3 VDD，比较器N2输出为1，因此Q输出端为0，结果是OUT输出为1，放电管DIS也因Q的输出为0而截止。4、 第1脚是接地端、第8脚是电源输入端、第5脚是CV控制端，如果外接一个电压，则可以改变触发电压的阈值，不使用它的时候，可将其悬空或者经一个0.01u的电容接地。其余引脚的功能可参考功能表。555时基集成电路一般应用可归纳为：单稳态触发器、双稳态触发器（多谐振荡器）和施密特电路。下图为555电路构成施密特电路的原理图和输入/输出波形图：由555时基集成电路构成的施密特电路。二、4060 - 二进制14级加法计数器/振荡器 参考数字电子技术基础417页、287页 4060是一个COMS数字集成电路，其内部主要由一个“RC环形振荡器电路”和 “14位二进制加法计数器”构成。在4060集成电路的内部，集成了三个串连在一起的非门，只要外接一个电容和两个电阻便可构成一个完整的RC环形振荡器：在4060的9脚（OUT）接一只反馈电容C，在10脚（OUT）接上一只反馈电阻R，在11脚（IN）接上一只限流电阻RS，再把这三只元件剩余的引脚接在一起，便构成了一个RC环形振荡器电路。振荡器的振荡周期为:T = 2.2 R C。在4060集成电路的内部还集成了14个级联的T触发器成为14级二进制加法计数器。并且内部振荡器的输出已经连接到第一级触发器的输入端。在这个14级计数器中，只有Q4（7脚）、Q5（5脚）、Q6（4脚）、Q7（6脚）、Q8（14脚）、Q9（13脚）、Q10（15脚）、Q12（1脚）、Q13（2脚）、Q14（3脚）共10个输出端子有引脚引出，而Q1、Q2、Q3、Q11的输出端子则没有引出脚。如下图为4060的内部结构方框示意图：当计数器的复位端（RST 、12脚）置低电平时，内部的计数器正常计数（高电平清零、停止计数）， 此时可在计数器输出端Qn得到内部振荡器振荡周期的N次2倍周期的脉冲信号或振荡频率的N次二分频的脉冲信号。这里的Qn指的是第N级计数器的输出端。内部振荡器脉冲周期计算公式： 振荡周期: T = 2.2 R C 振荡频率: 如果当 R 100K 、C 0.33u 时，则：T 2.2 R C 2.2 105 0.33 10-6 0.726 10-1 0.07 (S)Qn 输出脉冲的周期分别为:（9脚） TQ1 0.072 0.14(S)（7脚） TQ4 TQ124 0.07 16 1.12 (S)（5脚） TQ5 TQ125 0.07 32 2.24 (S)（15脚） TQ10 TQ129 0.07 1024 72 (S)试计算，R50K，C0.33u时，TQ10？， R520K，C0.33u时，TQ10？。三、光控定时器工作原理U1- 4060的9、10、11脚分别接C1（0.33u）、R9VR1(中间值为260k)和R10(470k)与内部的三个非门构成振荡周期约为0.2秒的RC环形振荡器电路，4060的Q4-Q10输出端分别接上发光二极管D1-D7作为计数显示。U2-555时基电路与VR2、R13（光敏电阻）和R12接成光控施密特电路。D11-D14、R15和开关S2构成四入与门，D9为隔离二极管，S1为U1的复位开关。电源接通时，VCC（9V）只向555电路的电源端（8脚）供电，并且使复位端（4脚）为高电平。由于555电路构成施密特电路，因此3脚的输出由2、6脚的电压所决定并且有：U2-2/6VCC时，3脚为低电位，U2-2/6VCC时，3脚为高电位。如果此时照射到光敏电阻上的光线较强时，光敏电阻R13的阻值很小，U2-2,6VCC，555电路3脚输出为低电位，U1- 4060不工作。如果照射到光敏电阻上的光线较弱时，光敏电阻的阻值变大，使U2-2,6VCC时，555电路3脚输出为高电位（此时D8点亮，表示光控开始），U1- 4060开始工作：内部振荡器以约1HZ的频率输出脉冲送到U1内部的计数器计数，发光二极管D1-D7以二进制方式显示计数结果。当计数结果使D9正极为高电位时（计数结果可通过开关S2设置），D9导通到使U1-11脚为高电平，U1- 4060内部振荡器停止工作，（此时D7点亮表示定时结束）D11-D14、R15和开关S2构成的可变四入与门，决定定时时间，当S2全部接通时，定时周期为64+32+16+8=120个脉冲。调整VR1使D1以1HZ周期闪烁，则为120秒。改变R9、R10、VR1和C1的参数使D1的闪烁周期不同，则可以得到不同的定时周期，设置S2的开通状况还可以得到不同的定时时间，具体情况同学们自行分析。定时结束后，按下开关S1使U1-12脚（复位端）为高电平 U1内部计数器清零 计数器所有输出均为低电平（此时D7熄灭）D9正极为低电位 D9截止 U1- 4060内部振荡器重新振荡 输出脉冲送到U1内部的计数器计数（下一次定时开始）（D7点亮,表示此次定时结束）。使用施密特电路的优点是，光控动作可靠、稳定。如光强时U2-2,6VCC，555电路3脚输出为低电位，U1- 4060不工作。当照射光敏电阻的光线减弱时,光敏电阻阻值变大，但不是U2-2,6VCC时，555电路3脚就输出为高电位，而是要等到U2-2,6VCC时，才能使555电路3脚输出高电位。这就避免了光线的不稳定而出现误动作。D11-D14、R15和开关S2如何构成四入与门，如果要求光控方式与上述方式相反，（有光线照射到光敏电阻时，4060开始工作）应如何修改电路设计？四、制作和调试:安装前应检查元器件的质量，光敏电阻的检查方法：用万能表R1K档接到光敏电阻的二个引脚上，有较强光线照到它的受光面上时，其阻值应能小于200K，遮蔽光线时，其阻值应能大于400K。发光二极管D1-D6要求按顺序整齐地排列在电路板上的显眼位置，光敏电阻的安装位置要方便光线的入射和遮挡。通电时，检测电阻R12上的电压应能达到：当光线照射到光敏电阻受光面上时，R12电压能VCC，即6V以上，并且发光管D8不亮；当没有光线照射到光敏电阻受光面上时（可用厚纸片遮挡），R12上的电压能VCC，即3V以下，并且发光管D8点亮。如果不能达到此结果，可通过调整VR2使之达到，否则应考虑光敏电阻是否质量达不到要求，或者通过加大VR2的阻值来解决。然后通过调节VR2使检测状态符合需要，并且工作可靠、灵敏。调节VR1观察发光管D1的点亮周期，改变开关S2的接通个数，（开关S2可以用DIP8集成电路座代替，需要接通时用跳接线插上即可）思考如果要求D1闪烁40次后停止，应开关S2应如何连接？如果S2全部断开，电路的定时时间会是多少？光控定时器基本电路原理图定时时间可变的光控定时器电路原理图