《电子电路分析与制作》-项目5

【实践活动】叮咚门铃的制作1.工作任务单①小组制订工作计划。②完成叮咚门铃的逻辑电路设计。③画出布线图。④完成叮咚门铃电路所需元器件的购买与检测。⑤根据布线图制作叮咚门铃电路。⑥完成叮咚门铃电路功能检测和故障排除。⑦通过小组讨论完成电路的详细分析及编写项目实训报告。叮咚门铃实物如图5.1所示，其电路原理如图5.2所示。下一页返回【实践活动】叮咚门铃的制作2.项目目标①通过叮咚门铃电路熟悉用555时基电路构成的多谐振荡器电路。②掌握叮咚门铃电路的安装技能。③掌握叮咚门铃电路的调试技能。3.实训设备与器件实训设备:数字电路实验装置1台、万用表、示波器、直流稳压电源等。实训器件:元件名称、规格型号和数量明细表见表5.1。4.项目电路与说明实训电路如图5.2所示。上一页下一页返回【实践活动】叮咚门铃的制作按钮AN未按下时，555的复位端通过R4接地，因而555处于复位状态，扬声器不发声。当按下AN后，电源通过二极管VD1使得555的复位端为高电平，振荡器起振。因为R1被短路，所以振荡频率较高，发出“叮”声。当松开按钮，电容C1上的电压继续维持高电平，振荡器继续振荡，但此时R1已经接入定时电路，因此振荡频率较低，发出“咚”声。同时C1通过R4放电，当C1上电压下降到低电平时，555又被复位，振荡器停振，扬声器停止发声。再按一次按钮，电路将重复上述过程。5.项目电路的安装与功能验证(1)安装按正确方法插好IC芯片，参照图5.2连接线路。上一页下一页返回【实践活动】叮咚门铃的制作电路可以连接在自制的PCB(印刷电路板)上，也可以焊接在万能板上，或通过“面包板”插接。(2)调试①接通电源(+UCC=+5V)后，按下AN键，试听扬声器是否发声。若不发声，设法查找并排除故障。②先确诊喇叭是否正常，最简捷的办法是用1~2V的直流电直接瞬时点通喇叭，正常的喇叭应有响声，若喇叭正常，则是其他的电路问题，应进一步检查。上一页下一页返回【实践活动】叮咚门铃的制作③首先检查IC及其外围电路组成的自激多谐振荡器电路，某个元器件损坏都可能导致喇叭无声，最常见的是555时基电路损坏，最简易的判断是:当用导线把2、6脚接低电平(地)时，输出端3脚应为高电平;把2、6脚接高电平(+5V)时，输出端3脚应为低电平。这说明555时基电路功能基本正常。但是如果555时基电路芯片内(C7脚)的放电管损坏，电路也不能振荡。再就是C2或C损坏。可以对元器件进行测试判断其好坏，但更简捷的办法是采用“替换法”，即从工作正常的电路板上拔下相同参数的元器件替换之;或把你认为有问题的元器件插到工作正常的电路板上试之。查排故障直到喇叭有声响。上一页下一页返回【实践活动】叮咚门铃的制作④当喇叭发出近似叮咚的声响但是不逼真，就要进行以下的调试:改变R4、C1的参数，可改变叮咚声响的“渐变”时间;改变R2、R3、C2的参数，可改变“叮”声的声调，改变R1、R2、R3、C2的参数，可改变“咚”声的声调，调试到使扬声器发出清脆悦耳的叮咚声为止。6.完成电路的详细分析及编写项目实训报告7.实训考核(表5.2)思考若通电后，未按下AN键，喇叭却发出了单一频率的鸣叫声，试分析故障的原因?上一页返回5.1555集成定时器555定时器为数字一模拟混合集成电路。可产生精确的时间延迟和振荡，内部有3个5kΩ的电阻分压器，故称555。在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。555定时器的产品型号繁多，但所有TTL集成单定时器的最后3位数码为555，双定时器的为556，电源电压工作范围为4.5~16V;所有COMS型集成单定时器的最后1位数码为7555，双定时器的为7556，电源电压工作范围为3~18V。555定时器由5部分组成，如图5.3所示。下一页返回5.1555集成定时器(1)电阻分压器由3个5kΩ的电阻R组成，为电压比较器C1和C2提供基准电压。(2)电压比较器由C1和C2组成电压比较器，当控制电压输入端CO悬空时(不用时可将它与地之间接一个0.01μF的电容，以防止干扰电压引入)，C1和C2的基准电压分别为(2/3)UCC和(1/3)UCC。

C1的反相输入端TH称为555定时器的高触发端，C2的同相输入端称为555定时器的低触发端。(3)基本RS触发器由两个与非门G1和G2构成，比较器C1的输出作为置0输入端，若C1输出为0，则Q=0;比较器C2的输出作为置1输入端，若C2输出为0，则Q=1。上一页下一页返回5.1555集成定时器R是定时器的复位输入端，只要=0，定时器的输出端OUT则为0。正常工作时，必须使k处于高电平。(4)放电VT放电管VT是集电极开路的三极管，VT的集电极作为定时器的一个输出端D，与OUT端相比较，若D输出端经过电阻R接到电源以、上时，则D端和OUT端具有相同的逻辑状态。(5)缓冲器由G3和G4构成，用于提高电路的带负载能力。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为(2/3)UCC

、(1/3)UCC的情况下，555时基电路的功能如表5.3所示。小问答:555定时电路R端的作用是什么?上一页返回5.2555定时器的应用电路555定时器是一种用途很广的集成电路，只要改变5筋集成电路的外部附加电路，就可以构成各种各样的应用电路。这里仅介绍多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器3种典型应用电路。5.2.1构成多谐振荡器多谐振荡器是一种典型的矩形脉冲产生电路，它是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲信号。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。1.电路组成用555定时器构成多谐振荡器的电路和工作波形如图5.4所示。下一页返回5.2555定时器的应用电路2.工作原理接通电源后，假定uo是高电平，则VT截止，电容C充电。充电回路是以UCC－R1－R2－地，uc按指数规律上升，当uc上升到(2/3)UCC时[即TH、端电平大于(2/3)UCC]，输出uo翻转为低电平。uo是低电平，VT导通，C放电，放电回路为C－R2－VT－地，uc按指数规律下降，当uc下降到(1/3)UCC时[即TH、端电平小于(1/3)UCC]，uo输出翻转为高电平，放电管VT截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得:输出高电平时间(充电时间):tPH=0.7(R1+R2)C输出低电平时间(放电时间):tPL=0.7R2C振荡周期:T=tPH+tPL=0.7(R1+R2)C上一页下一页返回5.2555定时器的应用电路输出方波的占空比为3.多谐振荡器的应用图5.5所示为模拟救护车变音警笛声的电路原理图。图中IC1、IC2都接成自激多谐振荡的工作方式。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“口商、嘟、嘀、嘟……”的与救护车鸣笛声相似的变音警笛声，其波形如图5.5(b)所示。改变R2、C1的参数，可改变嘀、嘟声的间隔时间;改变R4、C3的参数，可改变嘀、嘟声的音调。上一页下一页返回5.2555定时器的应用电路思考试用两片555定时器设计一个间歇单音发生电路，要求发出单音频率约为1kHz，发音时间约为0.5s，间歇时间约为0.5s。小知识矩形脉冲的产生电路多谐振荡器是一种典型的矩形脉冲产生电路，除了可以用555定时器构成多谐振荡器外，还可以由门电路和R、C元器件组成。根据电路结构和性能特点的不同，又可分为对称式多谐振荡器、非对称式多谐振荡器、石英晶体多谐振荡器和环形振荡器。下面以最为常见的对称式多谐振荡器为例就矩形脉冲的产生原理加以说明。上一页下一页返回5.2555定时器的应用电路图5.6所示电路是一个对称式多谐振荡器的典型电路，它由两个TTL反相器G1和G2经过电容C1、C2交又机合所组成。其中，C1—C2—C，R1—R2—RF。其工作原理如下:假设接通电源后，由于某种原因使ui1有微小的正跳变，则必然会引起如下正反馈过程:

使uo1迅速跳变为低电平、uo2迅速跳变为高电平，电路进入第一暂稳态。此后，uo2的高电平对电容C1充电使ui2升高，电容C2放电使ui1降低。由于充电时间常数小于放电时间常数，所以充电速度较快，ui2首先上升到G2的闰值电压UTH，并又引起了如下的正反馈过程:上一页下一页返回5.2555定时器的应用电路使uo2迅速跳变为低电平、uo1迅速跳变为高电平，电路进入第二暂稳态。此后，电容C1放电，电容C2充电使ui1上升，又引起第一次正反馈过程，从而使电路回到了第一暂稳态。这样，周而复始，电路不停地在两个暂稳态直接振荡，输出端产生了周期性矩形脉冲波形。电路工作波形如图5.7所示。从上面的分析可以看出，输出脉冲的周期等于两个暂稳态持续时间之和，而每个暂稳态持续时间的长度又由C1和C2的充电速度所决定。若UOH=3.4V,UTH=1.4V,UOL=0V，且Rf的阻值比门电路的输入电阻小很多时，输出脉冲信号的周期为T=1.4RFC上一页下一页返回5.2555定时器的应用电路5.2.2构成单稳态触发器单稳态触发器的工作特性具有如下的显著特点。第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态;第二，在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，暂稳态维持一段时间后，自动返回稳态;第三，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。由于具备这些特点，单稳态触发器被广泛应用于脉冲整形、延时(产生滞后于触发脉冲的输出脉冲)以及定时(产生固定时间宽度的脉冲信号)等。上一页下一页返回5.2555定时器的应用电路1.电路组成将低触发端作为输入端ui，再将高触发端TH和放电管输出端D接在一起，并与定时元件R、C连接，就可以构成一个单稳态触发器。用555定时器构成的单稳态触发电路和工作波形如图5.8所示。2.工作原理接通电源后，未加负脉冲，ui>1/3UCC，而C充电，uC上升，当uC>

2/3UCC时，电路uo输出为低电平，放电管VT导通，C快速放电，使uC=0。这样，在加负脉冲前，uo为低电平，uC=0，这是电路的稳态。在t=to时刻ui负跳变(端电平小于1/3UCC)，而uC=0(TH端电平小于2/3UCC)，所以输出uo翻为高电平，VT截止，C充电。uC按指数规律上升。t=t1时，ui负脉冲消失。上一页下一页返回5.2555定时器的应用电路t=t2时，uC上升到2/3UCC(此时TH端电平大于2/3UCC

，端电平大于1/3UCC)，uo又自动翻为低电平。在to~t2这段时间电路处于暂稳态。T>t2，

VT导通，C快速放电，电路又恢复到稳态。由分析可得:输出正脉冲宽度:tw=1.1RC。注意:图5.9所示电路只能用窄负脉冲触发，即触发脉冲宽度ti必须小于tw。3.单稳态触发器的应用(1)脉冲延时如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用如图5.9(a)所示的单稳态电路来实现。又从图5.9(b)所示波形可以看出，经过单稳态电路的延迟，由于uo的下降沿比输入信号ui的下降沿延迟了tw的时间，因而可以用输出脉冲uo的下降沿去触发其他电路，从而达到脉冲延时的目的。上一页下一页返回5.2555定时器的应用电路小问答怎样改变输出脉冲的宽度(即延迟时间)呢?(2)脉冲定时单稳态触发器能够产生一定宽度tw的矩形脉冲，利用这个脉冲去控制某个电路，则可使其仅在tw时间内工作。例如，利用宽度为tw的正矩形脉冲作为与门的一个输入信号，使得矩形脉冲为高电平的tw期间，与门的另一个输入信号u才能通过。脉冲定时的原理及工作波形如图5.10所示。5.2.3构成施密特触发器施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它在性能上有两个重要的特点。上一页下一页返回5.2555定时器的应用电路第一，输入信号从低电平上升的过程中电路状态转换对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中电路状态转换对应的输入电平不同。第二，在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得十分陡峭。利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地加以清除。1.电路组成将高触发端TH和低触发端了连在一起作为输入端ui，就可以构成一个反相输出的施密特触发器。用555定时器构成的施密特触发电路和工作波形如图5.11所示。上一页下一页返回5.2555定时器的应用电路2.工作原理现设输入信号ui为图5.11(b)所示的三角波，结合555定时器的功能表5.1可知当ui<1/3UCC时，两个比较器的输出为uC1=1、uC2=0，因而基本RS触发器状态为Q=1,输出uo=1;当1/3UCC<ui<2/3UCC时，两个比较器的输出为uC1=uC2=1，基本RS触发器保持状态不变，故输出uo也保持不变;当ui≥2/3UCC时，两个比较器的输出为uC1=0、uC2=1，因而基本RS触发器状态为Q=0,输出uo=0.当1/3UCC<ui<2/3UCC时，两个比较器的输出为uC1=uC2=1，基本RS触发器保持状态不变，仍为Q=0,输出uo=0;当ui≤1/3UCC时，两比较器的输出为uC1=1，uC2=0，基本RS触发器状态被置为Q=1,输出uo=1;电路的工作波形如图5.11(b)所示。上一页下一页返回5.2555定时器的应用电路根据以上分析可知，筋5定时器构成的施密特触发器的上限触发阈值电压UT+=2/3UCC，下限触发阈值电压UT－=1/3UCC，回差电压△U=1/3UCC，如果在CO端加上控制电压UIC，则可以改变电路的UT+和UT－和△U。3.应用举例(1)用于波形变换利用施密特触发反相器可以把幅度变化的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。图5.12所示为一正弦信号转换为矩形脉冲信号的电路输入、输出电压波形图。只要输入信号的幅度大于UT+

，就可在施密特触发器的输出端得到同频率的矩形脉冲信号。上一页下一页返回5.2555定时器的应用电路(2)用于脉冲整形在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，图5.13中给出了几种常见的情况。当传输线上电容较大时，波形的上升沿和下降沿将明显变坏，如图5.13(a)所示;当传输线较长，而且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象，如图5.13(b)所示;当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上时，信号上将出现附加的噪声，如图5.13(c)中所示。无沦出现上述的哪种情况，都可以使用施密特触发反相器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。如图5.13所示，只要施密特触发反相器的UT+和UT－,设置得合适，均能达到满