项目13 集成555定时器认知及应用电路的制作

项目十四:集成555定时器认知及应用电路的制作

14．1集成555定时器认知及测试

14．2利用555型集成定时器制作单稳态触发器

14．3救护车变音警笛电路的制作

14．4数显电容计C-T转换电路的制作

14．5由555定时器构成施密特触发器项目任务：

项目目标：制作数显电容计的数显电容计C-T转换电路及多谐振荡电路部分；项目要求：完成数显电容计的整体调试，要求其在测量范围内电容测试误差低于10%；项目提示：数显电容计C-T转换电路及多谐振荡电路如图14.1所示。数显电容计C-T转换电路及多谐振荡电路如图：图14.1数显电容计的数显电容计C-T转换电路及多谐振荡电路14．1集成555定时器认知及测试认识一下各种集成555定时器实物，如图14.2所示。

(a)单极型NE555(b)双极型NE556图14.2集成555定时器实物图测试一下测试集成NE555定时器功能，测试电路如图14.3所示。图14.3NE555定时器功能测试电路测试步骤:

1.按图14.3测试电路将器件装在面包板上，并正确连线。

2.将晶体管稳压电源电压调至+5V，分别接在NE555的④脚和⑧脚，按下述测试顺序观察LED是否发光并记录，依据发光二极管单向导电性的特征，若发光二极管点亮，则相应端口输出为高电平，反之为低电平。测试结果分析:

1.第一种情况：将单刀双掷开关S1、S2分别接至a和b端，由于集成555定时器②和⑥脚的对地等效电阻接近于无穷大，利用分压公式，则ab两点的电压分别大于2VCC/3和VCC/3，可观察到LED熄灭，即3脚输出低电平；

2.第二种情况：在第一种情况下③脚输出为低电平，此时将开关S1接地，可观察到LED仍然保持熄灭状态，即输出端③脚仍输出低电平；

3.第三种情况：将开关S2接至b端（接地），可观察到不管开关S1接至哪端，即⑥脚不管接什么电压，LED均发光，即③脚均输出高电平。

4.第四种情况：在第三种情况下③脚输出为高电平，此时将开关S1接地，S2接至b端，可观察到LED仍然保持发光状态，即输出端③脚仍输出高电平。从上述测试中，可看出一方面集成定时器NE555具有与触发器类似的特征，而这种输入输出特性又与②和⑥脚的输入电压的大小有关。一、555定时器介绍

集成555定时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路。目前，流行的产品主要有4个：BJT两个：555，556（即含有两个555）；CMOS两个：7555，7556（含有两个7555）。555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

555定时器的产品有双极型TTL和单极型CMOS两种类型。二、555定时器的结构和工作原理

555定时器是把模拟电路和数字电路结合在一起的器件。555定时器的内部结构如图14.4所示。它由两个电压比较器A1和A2、一个由“与非”门组成的基本RS触发器F、一个集电极开路的放电晶体管V以及三个5kΩ电阻串联组成的分压器构成。比较器A1的参考电压为2VCC/3，加在同相端；A2引的参考电压为VCC/3，加在反相输入端，两者均由分压器取得。图14.4555定时器内部结构组成

集成555定时器NE555的引脚排列及功能，如图14.5所示。图14.5集成555定时器的引脚排列及功能

555定时器NE55各引脚的功能如下：①脚GND为接地端。②脚为低电平触发端，也称为触发输入端，由此输入触发脉冲。③脚OUT为输出端，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等。输出高电压约低于电源电压1～3V。

④脚为复位端，当为0时，基本RS触发器直接置0，使Q=0，Q=1。⑦脚D为放电端。基本RS触发器Q=1时，放电晶体管导通，外接电容元件通过VT放电。555定时器在使用中大多与电容的充放电有关，为了使充放电能够反复进行，电路特别设计了一个放点端D。⑧脚＋VCC为电源端。可以在4.5～16V范围内使用，若为CMOS电路，则VDD为3～18V。

⑤脚CO为电压控制端，如果在CO端另加控制电压，则可改变A1和A2的参考电压。工作中不使用CO端时，一般都通过一个0.01uF的电容接地，以旁路高频干扰。在控制电压输入端⑤脚悬空，外接0.01μF电容到①脚时，高触发端的参考电压为UTH＝2VCC/3，低触发端的参考电压为UTL＝VCC/3。如果控制电压输入端⑤脚外接固定电压UC-V或接一电阻时，则UTH＝UC-V，UTL＝UC-V/2。14．2利用555型集成定时器制作单稳态触发器

图14.6是用555定时器组成单稳态触发器的电路。当输入电压ui＜VCC/3时，③脚由低电平0跃变为高电平1，此时电源通过电阻R向电容C充电，电容C的电压uC由0V开始上升，当uC＞2VCC/3时，③脚由高电平1翻转为低电平0，此时电容C通过555定时器内的放电管VT迅速放电。因电容C未接在低电平触发端上，故电容C的放电对触发器的状态无影响。图14.6NE555定时器组成的单稳态触发器电路测试步骤：（1）按图14.6接好测试电路。检查无误后接入直流电源电压5V，将开关S1接至UTH（2VCC/3），③脚LED应不亮。（2）按下单次脉冲开关S1，即在②脚输入一个低电平。（3）观察从单次脉冲开关按下后，LED由亮到灭的时间。（4）将电容器的电容量改变为4.7μF，按下单次脉冲开关，观察LED由亮到灭的时间有何变化。测试结果分析：由刚才测试可观察到，当改变电容C1的大小时，LED的点亮时间时间是不一样的，且C1越小，则LED亮的时间越短，让我们学习一下什么是单稳态触发器的特性、工作原理及应用。一、单稳态触发器电路工作原理

单稳态触发器在数字电路中一般用于定时、整形以及延时等，其逻辑符号如图14.7(b)所示。

单稳态触发器具有系列特点：（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。（2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。（3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅取决于电路本身的参数。(a)波形图(b)逻辑符号图14.7555定时器构成的单稳态触发器

单稳态触发器应用很广。还可以作脉冲整形、延时和定时用。

二、单稳态触发器应用举例

1.延时

延时电路一般用两个单稳态触发器构成，如图14.8所示。t1时刻在单稳态触发器[1]的输入端加入一个负脉冲ui，经tp1暂态后，uo1在t2时刻得到一个下降沿，触发单稳态触发器[2]。uo1的脉宽由单稳态触发器[1]决定，uo的脉宽由单稳态触发器[2]决定。图14.8555定时器构成单稳态触发器作延时用uiuiuo1OOtttO延时tp1tp1uo[1][2]uouo1tp2t1t2

2.定时

利用单稳态触发器能产生时间基准信号（简称定时信号），用来控制电路在规定的时间性内动作，达到定时控制的目的。例如，图14.9所示电路中，单稳态触发器产生宽度为1s的定时脉冲uA，用该定进脉冲来控制与门的开放时间，uB为矩形脉冲信号，uo即为1s内通过的脉冲个数，经计数、译码和显示电路，就可直接读出uB的频率，这也是数显电容计C（电容量）-T（时间长度）转换电路最基本的测试原理。图14.9555定时器构成单稳态触发器作定时用uiuAuBuo&uiuAOOtttOuB1sOtuo

3.波形整形uiuo图14.10555定时器构成单稳态触发器作整形用uiuoOOtt

输入脉冲的波形往往是不规则的，边沿不陡，幅度不齐，不能直接输入到数字电路。因为单稳态触发器的输出uo的幅度仅取决于输出的高、低电平，宽度tp只与定时元件R、C有关，所以利用单稳态触发器能够把不规则的输入信号ui整形成为幅度、宽度都相同的矩形脉冲uo。图14.10所示就是单稳态触发器整形的一个例子。14．3救护车变音警笛电路的制作变音警笛电路如图14.11所示。图14.11救护车变音警笛电路

上述变音警笛电路实际是由集成555定时器所构成的多谐振荡器，让我们学习一下多谐振荡器。一、由555定时器构成的多谐振荡器

多谐振荡器又称无稳态振荡器。用555定时组成的多谐振荡器电路，如图14.12（a）所示。图14.12555定时器构成的多谐振荡器（a）电路图（b）波形图O

4O

4t

4t

4VCC4VCC4VCC4uC

4uo

42

43

41

43

4tp

4T24T

4+VCCR1R2CuC+uo0.01μF8

47

46

42

43

41

4555

45

4

该电路输出波形的周期取决于电容器的充电、放电的时间常数，其充电时间常数为T1=（R1+R2）C，放电时间常数为T2=R2C，输出的矩形波振荡周期工程上常用下式公式计算：T=T1+T2=0.7（R1+2R2）C振荡频率为f=二、项目电路工作原理

由图14.11可知，集成555定时器IC1与IC2都接成自激振荡的工作方式。其中，IC1输出的方波信号通过R5去控制IC2的⑤脚电平。当IC1输出高电平时，由IC2组成的多谐振荡器电路输出频率较低的一种音频；当IC1输出低电平时，由IC2组成的多谐振荡器电路输出频率较高的另一种音频。因此IC2的振荡频率被IC1的输出电压调制为两种音频频率，使喇叭发出“嘀、嘟、嘀、嘟……”的与救护车鸣笛声相似的变音警笛声。改变R2、C1的值，可改变嘀、嘟声的间隔时间；改变R4、C3的值，可改变嘀、嘟声的音调。实施步骤：一、安装：按图14.17测试电路将元器件装在面包板上，并正确连线。二、调试：

1.接通电源。

2.首先检查IC2及其外围电路组成的自激多谐振荡器电路，某个元件损坏都可能导致喇叭无声，最常见的是555时基电路损坏。

3.确诊喇叭是否正常，若喇叭正常，则是其他的电路问题，应进一步检查。

4.当喇叭有变调的警笛声声响但是不逼真，就要进行以下的调试：改变R2、C1的值，可改变警笛声的“渐变”时间；改变R4、C3的值，可改变“渐变”警笛声的声调，调试到变音警笛声逼真为止。。14．4数显电容计C-T转换电路的制作项目电路如图14.13和14.14所示。图14.13C-T转换电路图14.14多谐振荡器

接下来我们分析一下所用器件及这两种电路的电路组成及工作原理。一、集成555定时器NE556

集成555定时器NE556内含两个相同的555定时器，满足数显电容计C-T转换电路及多谐振荡电路制作的要求，其外形及管脚分布如图14.15所示。图14.15NE556引脚分布图由图14.15可知，NE556与NE555具有完全相同的功能引脚，由于在前面已学习了NE555的引脚功能，在此不再重复。二、C-T转换电路

C-T转换电路的作用是把被测电容的电容量CX转换成脉冲信号，使脉冲信号的宽度TX正比于CX。单稳态触发器有定时时间正比于定时电容C的关系，即tW

=1.1R1Cr，因此可以用单稳态触发器触发器实现此功能。

C-T转换电路波形见图14.16所示，图中TX

=1.1RCX.。这样单稳态电路只要靠输入UI1的下降沿触发，定时时间与UI1的低电平宽度无关。考虑到定时精度和测量速度，设定测量范围内TX的时间为0.1mS～0.1S，即取R=91kΩ。

14.16C-T转换波形图

三、多谐振荡器

多谐振荡器用NE556的另一555定时器构成，电路如图14.14所示。多谐振荡器的振荡周期为：T＝0.7（R1+R2）C，在TX内计数器计到的脉冲数N=TX/T，即有：N=1.1RCX/T。根据设计要求，N就是被测电容CX的电容量（nF）数，则有T=1.1×91×103×10-9≈10-4S，也就是说振荡器的振荡频率约为10kHZ。根据振荡器周期的计算公式，先取C=0.01μF，那么R1+2R2=14.3kΩ，取R1=6.8kΩ，则R2

应为3.75kΩ。可以用4.7kΩ的电位器作为R2

来调整电容计的测量精度。实施步骤：

一、安装

1．安装前应认真理解电路原理，弄清和印刷板上元件与电原理图的对应关系，并对所装元器件预先进行检查，确保元器件处于良好状态；

2.参照项目器件清单将电阻、电容、集成555定时器、三端稳压器等元件参考原理图14.13和14.14在实验板上焊好。

二、调试

1.检查印板元器件安装、焊接应准确无误调至5V输出，给数显电容计供电；

2.复审无误后如下测试：（1）在CX处接入nF（100nF）级校准电容，调节电位器R19，使数码管显示的读数与校准电容的容量一致；（2）接上若干标称值在量程范围内的电容进行测量，并记录测量结果；（3）再接入若干标称值不在量程范围内的大电容和小电容，注意观察超量程指示电路的工作状态。

14．5由555定时器构成施密特触发器

一、电路工作原理施密特触发器一个最重要的特点，就是能够把变化非常缓慢的输入脉冲波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲，而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。施密特触发器在脉冲产生和整形电路中应用广泛。图14.17（a）是用555定时器构成施密特触发器的原理图，图14.17（b）是它的工作波形图。图14.17555定时器构成的施密特触发器（a）电路图（b）波形图+VCCuiuo0.01μF8

47

=62341

555

5O

4O

4ttVCC

4uiuo

4VCC42

43

4VCC41

43

4VCC

图14.18所示是用555定时器构成施密特触发器的传输特性曲线。图中VT+称上触发电平，VT–称下触发电平。图14.18施密特触发器的传输特性曲线uoVCCOuiVT–1AY图14.19施密特触发器的逻辑符号VT+

除了555定时器可构成施密特触发器外，集成运放、TTL和CMOS门电路，都可以组成施密特触发器。它们的图形符号如图14.19所示。利用施密特触发器的回差特性，可用于对波形进行变换、整形、幅度鉴别等。

二、应用举例

1.波形变换。利用回差特性，可将缓慢变化的正弦波、三角波等变换为边沿很陡的矩形波。如图