《数字电子技术项目化教程》课件-项目5：触摸式防盗报警电路

项目5：触摸式防盗报警电路数字电子技术项目化教程项目概述在时序电路中，矩形脉冲作为时钟信号控制和协调着整个数字系统的工作，所以，时钟脉冲特性的好坏直接关系到整个系统能否正常工作。时钟脉冲为周期性矩形脉冲，它的获取通常有两种途径：一种是利用各种形式的脉冲振荡电路，直接产生所需要的矩形脉冲，如多谐振荡器等。另一种是通过整形电路（或脉冲变换电路）把一种非矩形脉冲，或者性能不符合要求的矩形脉冲变换成符合要求的矩形脉冲，如施密特触发器、单稳态触发器等。555定时器是一种用途很广的集成电路，其使用灵活、方便，在波形产生与变换，测量控制等方面有着广泛的应用。本项目主要介绍施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器及555定时器等脉冲波形产生与变换电路的组成、工作原理及典型应用。教学目的：1．多谐振荡器的电路构成及其工作原理。2．单稳态触发器的电路构成及其工作原理与应用。3．施密特触发器的电路构成及其工作原理与应用。4．电路仿真软件Multisim的熟练使用，仿真电路的连接与调试。5．电路装配与调试；仪器仪表的使用方法。6．电路常见故障排查。项目要求：1．工作任务：触摸式防盗报警电路的设计与制作。2．电路功能：当电路接通电源后，有人触摸时扬声器发音报警。参考电路：项目咨询：工作任务学习目标任务一多谐振荡器1．掌握门电路构成多谐振荡器电路的工作原理；2．掌握石英晶体构成多谐振荡器电路的工作原理；3．掌握555定时器构成多谐振荡器电路的工作原理；4．理解多谐振荡器电路的作用与应用。5．能独立完成555定时器构成的脉冲电路的仿真调试，实物搭接与功能测试。任务二单稳态触发器理解门电路构成的单稳态触发器电路的工作原理；2．理解555定时器构成的单稳态触发器电路的工作原理；3．理解单稳态触发器电路的作用与应用；4．能独立完成555定时器构成的单稳态触发器电路的仿真调试，实物搭接与功能测试。任务三施密特触发器1.理解门电路构成的施密特触发器电路的工作原理；2．理解555定时器构成的施密特触发器电路的工作原理；3．理解施密特触发器电路的作用与应用；4．能独立完成555定时器构成的施密特触发器电路的仿真调试，实物搭接与功能测试。5.1多谐振荡器基础知识多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，无需外加触发信号便能自动产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的多次谐波分量，故习惯上又把矩形波振荡器称为多谐振荡器。多谐振荡器不存在稳定状态，只有两个暂稳态，故又称无稳态电路。多谐振荡器电路中含有放大电路和正反馈电路两个部分，故它可以用三极管分立元件构成；可以用普通的运放构成；也可以利用门电路工作在转折区的放大和反相作用，在电路中形成正反馈的特点，用集成门电路来构成。5.1多谐振荡器5.1.1门电路构成多谐振荡器1．电路组成及工作原理门电路构成的多谐振荡器又称环形振荡器，是由奇数个反相器首尾相接并利用门电路固有的传输延迟时间而形成的一种振荡器，如图5-1（a）所示。不难看出，这种电路接通电源后是没有稳定状态的。例如，由于某种原因A点信号由低向高有一上跳，此上跳经G1门的延时tpd在B点则产生一下跳，此下跳再经G2门的延时tpd在C点产生一上跳，此上跳再经G3门的延时tpd在D点，也就是A点又产生一下跳。因此不难看出，每经过3tpd后在原变化点会自动产生向相反方向的跳变变化。这样从输出端就会得到连续变化的矩形波信号，如图5-1（b）所示，其振荡周期T=6tpd。5.1多谐振荡器5.1.1门电路构成多谐振荡器1．电路组成及工作原理图5-1环形振荡器及工作波形这种环形振荡器的优点是电路简单，但是由于门的延时tpd极短，TTL电路只有几十纳秒，CMOS电路也只有一二百纳秒，因此要想获得较低的振荡频率则必须串接较多的奇数个门来实现，同时获得的振荡频率也不能连续变化，5.1多谐振荡器5.1.1门电路构成多谐振荡器1．电路组成及工作原理可在图5-1（a）的基础上，再增加RC调节电路，构成一个带RC调节电路的环形振荡器，如图5-2（a）所示。5.1多谐振荡器5.1.1门电路构成多谐振荡器1．电路组成及工作原理设某一时刻VA有一上跳，将会使VB下跳，VD上跳，VE则由于VB下跳和电容C的作用也会在原处下跳，保持VA上跳不变。此后由于电容C会经门G2，D，R，E，C，B，门G1进行充电使VE电位上升。当VE电位上升到门限电平VTH时会引起电路的连续反应：VA下跳，VB上跳，VD下跳，VE在VTH上再上跳，保持VA下跳，随后C会进行放电直到引起下一次电路的跳变。这样我们就可以在VO处获取所需的矩形脉冲信号，其输出端就会得到连续变化的矩形波信号，如图5-2（b）所示。对于带RC环形振荡器在假设件满足的前提下，如VOH=3V，VTH=1.4V时，其振荡周期可近似估计为：T≈2.2RC。

5.1多谐振荡器5.1.1门电路构成多谐振荡器2．门电路组成的多谐振荡器特点由门电路组成的多谐振荡器虽有多种电路形式，但均具有如下共同的特点：第一：含有开关器件。如门电路、电压比较器、BJT等，这些器件主要用于产生高、低电平。第二：具有反馈网络。将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态。第三：还有延迟环节。利用RC电路的充、放电特性可实现延时，以获得所需要的振荡频率。在许多实用电路中，反馈网络兼有延时的作用。5.1多谐振荡器5.1.2

石英晶体多谐振荡器1．石英晶体的基本特性石英晶体的品质因数Q很高，选频特性非常好，并且有一个极为稳定的串联谐振频率f0。如图5-3所示为石英晶体的符号、等效电路及阻抗频率特性。图5-3石英晶体的电路符号、等效电路及阻抗频率特性5.1多谐振荡器5.1.2

石英晶体多谐振荡器1．石英晶体的基本特性由阻抗频率特性可知：当外加电压信号的频率fs等于石英晶体的固有谐振频率f0时，石英晶体的等效阻抗最小，信号最容易通过。利用这一特性，把石英晶体接入多谐振荡器电路中，使电路的振荡频率只由晶体的固有谐振频率f0来决定，而与电路中其他元件（R或C）的参数无关。石英晶体的频率稳定度可达10-10~10-11，完全可以满足大多数数字系统对频率稳定度的要求。5.1多谐振荡器5.1.2

石英晶体多谐振荡器2．石英晶体多谐振荡器如图5-4所示是由两个反相器G1、G2和两个电容C1、C2及石英晶体等构成的多谐振荡器。该电路将产生稳定度极高的矩形脉冲，其振荡频率由石英晶体的串联谐振频率f0决定，而与电路中的R、C数值无关。这是因为电路对f0频率所形成的正反馈最强而易维持振荡。反馈电阻R的作用是反相器工作在线性放大区，对于TTL门电路，R通常在0.7kΩ到2kΩ之间，对于CMOS门电路，R通常在10kΩ到100kΩ之间；电容C1用于两个反相器之间的耦合，其大小应使C1在频率为f0时的容抗可以忽略不计，电容C2的作用是抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出，其大小应使2πRC2f0≈1，从而使RC2并联网络在f0处产生极点，以减少谐振信号的损失。5.1多谐振荡器5.1.2

石英晶体多谐振荡器2．石英晶体多谐振荡器图5-4石英晶体振荡器电路5.1多谐振荡器5.1.3555定时器构成多谐振荡器1．集成555定时器1）555定时器的电路组成（a）原理图

（b）外引脚图图5-5555定时器5.1多谐振荡器5.1.3555定时器构成多谐振荡器1．集成555定时器1）555定时器的电路组成5.1多谐振荡器5.1.3555定时器构成多谐振荡器1．集成555定时器1）555定时器的电路组成5.1多谐振荡器5.1.3555定时器构成多谐振荡器1．集成555定时器2）555定时器的电路工作原理及功能5.1多谐振荡器5.1.3555定时器构成多谐振荡器1．集成555定时器2）555定时器的电路工作原理及功能555定时器的功能表如表5-1所示。5.1多谐振荡器5.1.3555定时器构成多谐振荡器2．555定时器构成多谐振荡器电路如图5-6（a）所示。R1、R2和C为外接定时元件，高低电平触发输入端相连并接到定时电容C上，R1和R2的接点与放电端相连，电压控制端不用，通常外接0.01μF电容。（a）电路图

（b）工作波形图

图5-6555定时器构成的多谐振荡器5.1多谐振荡器5.1.3555定时器构成多谐振荡器2．555定时器构成多谐振荡器5.1多谐振荡器5.1.3555定时器构成多谐振荡器2．555定时器构成多谐振荡器5.2单稳态触发器5.2.1单稳态触发器电路构成1．门电路构成的单稳态触发器1）电路组成及工作原理单稳态触发器的暂稳态是靠RC电路的充放电过程来维持的。由于图5-7所示电路的RC电路接成微分电路形式，故该电路又称为微分型单稳态触发器。图5-7门电路构成的单稳态触发器5.2单稳态触发器5.2.1单稳态触发器电路构成1．门电路构成的单稳态触发器1）电路组成及工作原理5.2单稳态触发器5.2.1单稳态触发器电路构成1．门电路构成的单稳态触发器1）电路组成及工作原理5.2单稳态触发器5.2.1单稳态触发器电路构成1．门电路构成的单稳态触发器1）电路组成及工作原理单稳态触发器工作波形如图5-8所示。图中输出脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间。通过ui2的波形可以计算出：tw≈0.7RC5.2单稳态触发器5.2.1单稳态触发器电路构成2．集成单稳态触发器1）集成单稳态触发器的分类集成单稳态触发器根据电路及工作状态不同分为可重复触发和不可重复触发两种；根据触发时间不同分为上升沿触发和下降沿触发两种。不可重复触发的单稳态触发器在进入暂稳态后，无论输入端有无触发脉冲的作用，电路工作过程不受影响。也就是说，一旦电路进入暂稳态，输入信号便不再起作用，输出脉冲宽度tw仍从第一次触发开始计算，如图5-9（a）所示。而可重复触发的单稳态触发器在暂稳态期间，如有触发脉冲作用，则会被重复触发，使得暂稳态时间延长，直到最近的一个触发脉冲消失后再过tP时间，电路恢复稳态。因此，采用可重复触发的单稳态触发器可方便的得到持续时间更长的输出脉冲宽度，如图5-9（b）所示。5.2单稳态触发器5.2.1单稳态触发器电路构成2．集成单稳态触发器1）集成单稳态触发器的分类（a）不可重复触发型

（b)）可重复触发型图5-9不可重复触发和可重复触发集成单稳态触发器波形5.2单稳态触发器5.2.1单稳态触发器电路构成2．集成单稳态触发器2）集成单稳态触发器7412174121是一种不可重复触发的单稳态触发器，它既可采用上升沿触发，又可采用下降沿触发，其内部还设有定时电阻Rint（约为2kΩ）。（1）引脚功能5.2单稳态触发器5.2.1单稳态触发器电路构成2．集成单稳态触发器2）集成单稳态触发器74121表5-2是74121的功能表，从表中可以看出74121电路的各种功能。5.2单稳态触发器5.2.1单稳态触发器电路构成2．集成单稳态触发器2）集成单稳态触发器74121（2）触发方式（3）定时元件接法若需得到比较宽的输出脉冲，应选用外接电阻Rext，Rext可在1.4~40kΩ之间选择，9脚须悬空，Rext接在11、14脚之间。若选用内部电阻Rint，应将9脚接电源VCC。74141的输出脉冲宽度tw可以使用公式tw≈0.7RC计算。5.2单稳态触发器5.2.1单稳态触发器电路构成2．集成单稳态触发器2）集成单稳态触发器74121（4）典型应用电路（a）外电阻接法

（b）内部电阻接法图5-11两种典型的74121应用电路5.2单稳态触发器5.2.1单稳态触发器电路构成2．集成单稳态触发器2）集成单稳态触发器74121（4）典型应用电路5.2单稳态触发器5.2.2555定时器构成的单稳态触发器1．电路结构（a）电路图（b）工作波形图图5-12555定时器组成的单稳态触发器5.2单稳态触发器5.2.2555定时器构成的单稳态触发器2．电路工作原理5.2单稳态触发器5.2.2555定时器构成的单稳态触发器2．电路工作原理5.2单稳态触发器5.2.2555定时器构成的单稳态触发器2．电路工作原理5.2单稳态触发器5.2.3单稳态触发器的应用1.单稳态触发器的几个主要参数1）输出脉冲宽度tw：暂态维持时间tw≈0.7RC2）恢复时间tre：一般tre为（3～5）t放，t放＜＜RC3）最高工作频率fmax：fmax=1/Tmin=1/（tw+tre）2.单稳态触发器的几个主要应用（1）脉冲整形脉冲整形电路如图5-13所示。将已经得到的一系列幅度和宽度都不规则的脉冲信号加到单稳态触发器的输入端作为输入的触发信号，只要这些脉冲的幅度都大于单稳态触发器的触发电平，就可以在单稳态触发器的输出端得到幅度和宽度都相同的脉冲信号。5.2单稳态触发器5.2.3单稳态触发器的应用2.单稳态触发器的几个主要应用输出脉冲的宽度由R和C的数值决定，它可以比输入触发脉冲更宽，也可以更窄，根据具体要求而定。5.2单稳态触发器5.2.3单稳态触发器的应用2.单稳态触发器的几个主要应用（2）脉冲定时由于单稳态触发器能够产生一定脉冲宽度tw的矩形脉冲，利用这个脉冲去控制某一电路，则可使它在tw的时间内动作（或者不动作）。其构成电路及其波形如图5-14所示。5.2单稳态触发器5.2.3单稳态触发器的应用2.单稳态触发器的几个主要应用（3）脉冲延时脉冲延时电路如图5-15所示。经过单稳态电路的延迟，从波形图可以看出，用输出脉冲uo的下降沿去触发其他电路，uo的下降沿比ui的下降沿延迟了tw的时间。5.

3：施密特触发器5.3.1施密特触发器电路构成1）电路组成两个CMOS反相器G1和G2组成的施密特触发器如图5-16（a）所示，图5-16（b）为其逻辑符号。5.

3：施密特触发器5.3.1施密特触发器电路构成2）工作原理5.

3：施密特触发器5.3.1施密特触发器电路构成2）工作原理5.

3：施密特触发器5.3.1施密特触发器电路构成2）工作原理5.

3：施密特触发器5.3.1施密特触发器电路构成3）回差电压可见，电路回差电压与R1/R2成正比，改变R1、R2的比值，即可调节回差电压的大小。电路的工作波形及传输特性曲线如图5-17所示。5.

3：施密特触发器5.3.1施密特触发器电路构成2．集成施密特触发器1）施密特反相器图5-18所示为TTL的74LS14和CMOS的CC40106施密特触发器的电压传输特性曲线图和逻辑符号，它们均为六施密特触发的反相器。2）施密特触发与非门电路图5-19所示为TTL的74LS13和CMOS的CC4093施密特触发的与非门电路逻辑符号。5.

3：施密特触发器5.3.2555定时器构成的施密特触发器1．电路结构5.

3：施密特触发器5.3.2555定时器构成的施密特触发器2．电路工作原理5.

3：施密特触发器5.3.2555定时器构成的施密特触发器2．电路工作原理5.

3：施密特触发器5.3.3施密特触发器的应用1．波形变换因为施密特触发器的输出只有高、低电平两种状态，而且状态转换时输出电压波形的边沿又十分陡峭，所以利用施密特触发器可以把变化缓慢的波形变换成比较理想的矩形波。如图5-21所示。输入信号是由直流分量和正弦分量叠加而成的，只要输入信号的幅度大于UT+，即可在施密特触发器的输出端得到同频率的矩形脉冲信号。5.

3：施密特触发器5.3.3施密特触发器的应用2．脉冲整形在数字系统中，矩形脉冲信号经过传输以后往往发生波形畸变，利用施密特触发器可以将发生畸变或叠加干扰的矩形脉冲整形成较理想的矩形脉冲波形。由此知施密特触发器具有较强的抗干扰能力，如图5-22所示。5.

3：施密特触发器5.3.3施密特触发器的应用3．脉冲鉴幅技能训练：555定时器应用电路搭接与功能测试1．训练目标（1）熟悉555时基电路逻辑功能的测试方法。（2）熟悉555时基电路的工作原理及其应用。2．训练器材（1）数字电子技术技能训练开发板（2）元器件：555时基电路、电阻、电容、导线若干技能训练：555定时器应用电路搭接与功能测试3．训练内容及步骤（1）施密特触发器按图5-24接线，输入信号由信号源提供，调好频率为1kHZ接通电源，逐渐增大VCC的幅度，观测输出波形，测绘电压传输特性。技能训练：555定时器应用电路搭接与功能测试3．训练内容及步骤（2）多谐振荡器如图5-25所示，电阻R1、R2及电容C构成了一个充放电电路。在接通电源后，电源VCC通过R1和R2对电容C充电，充电时间常数τ1=（R1+R2）C。按图5-25接线，频率不限（可为1kHZ）。使用示波器观察电路输出的矩形波。技能训练：555定时器应用电路搭接与功能测试3．训练内容及步骤（3）单稳态触发器如图5-26所示，电路中的电阻R和电容C构成充电回路。按图5-26接线，取R=100kΩ，C=47uf，输入信号ui由单次脉冲源提供，用示波器观测输出信号波形。4．训练报告要求（1）总结555时基电路的逻辑功能。（2）思考题①555时基电路的使能端分别采用什么触发方式？②555时基电路中，CO端的作用是什么？技能训练：555定时器应用电路搭接与功能测试项目实施：触摸式防盗报警电路的设计与制作一、设计任务要求该电路电源接通后，用手触摸触片，扬声器会发出声响且持续大约1分钟后自动停止。二、电路设计1．电路设计该电路由两片555定时器组成，U1构成单稳态触发电路，U2构成多谐振荡电路。设计电路如本章开篇的项目引导表单所示。2．利用Multisim仿真软件绘制出直流电源仿真电路。（1）电路绘制时，按图5-27所示电路查找元器件并拖至绘图区域，然后按要求更改标签和显示设置，连接仿真电路，并进行调试（Multisim中蜂鸣器无法发声，在输出端接示波器观察输出波形）。二、电路设计（2）电路性能测试：信号发生器模拟一个杂波信号，开启仿真开关，双击虚拟示波器图标，观察屏幕上的波形，并分析仿真结果。项目实施：触摸式防盗报警电路的设计与制作二、电路设计3．电路原理分析本项目触摸式防盗报警器电路由两片555定时器组成，图中U1构成单稳态触发器电路，U2构成多谐振荡器电路。当触摸到触片时U1的第3脚输出高电平，使得U2振荡驱动扬声器发出报警声，过一段时间后U1的输出自动回到低电平，U2停止振荡，报警声消失。项目实施：触摸式防盗报警电路的设计与制作二、元件与材料清单项目实施：触摸式防盗报警电路的设计与制作元件名称元件序号元件注释数量集成555芯片A1、A2

2电阻R11MΩ1电阻R22kΩ1电阻R3100kΩ1瓷片电容C2、C30．01μF/50V2电解电容C147μF/10V1电解电容C422μF/10V1电解电容C5100μF/10V1集成芯片IC

1扬声器SP0.25W1三、电路装配与调试1．安装工艺接线工艺图绘制完成后，对照电路原理图认真检查无误，再在实验板上进行电路焊装，要求：1）严格按照图纸进行电路安装；2）所有元件焊装前必须按要求先成型；3）元件布置必须美观、整洁、合理；4）所有焊点必须光亮、圆润、无毛刺、无虚焊、错焊和漏焊；5）连接导线应正确、无交叉,走线美观简洁；6）触片可用裸线代替；7）555定时器输出端应预留测试点；8）R1、C1、R2、R3