数字电子电路分析与应用-学习情境四

任务1555定时器及其应用一、555定时器电路555定时器是一种结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。只要外部配接少数几个阻容元件便可组成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等电路。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定时器是美国5ig-netics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，因输入端设计有三个5kΩ的电阻而得名。555定时器的电压范围宽，双极型555定时器为5~16V,CMOS555定时器为3~18V。下一页返回任务1555定时器及其应用可提供与TTL及CMOS数字电路兼容的接口电平。555定时器还可以输出一定的功率，可驱动微电机、指示灯、扬声器等。它在脉冲波形的产生与变换、仪器与仪表、测量与控制、家用电器与电子玩具等领域都有着广泛的应用。1.555定时器内部结构555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路，其内AIS结构如图4.1(A)所示，管脚排列如图4.1(B)所示。上一页下一页返回任务1555定时器及其应用2.工作原理当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为

VCC和VCC(1)当UI1>VCC，

UI2>VCC时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管VT导通，输出端UO为低电平。(2)当UI1<VCC，

UI2<VCC时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管VT截止，输出端UO为高电平。(3)当UI1<VCC，

UI2>VCC时，比较器C1输出高电平，C2输出高电平，基本RS触发器R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。上一页下一页返回任务1555定时器及其应用由于阈值输入端(UI1)为高电平(>VCC)时，定时器输出低电平，因此也将该端称为高触发端(TH)。由于触发输入端(UI2)为高电平(<VCC)时，定时器输出高电平，因此也将该端称为低触发端(TL)。如果在电压控制端(5脚)施加一个外加电压(其值在0一VCC之间)，比较器的参考电压将发生变化，电路相应的闽值、触发电平也将随之变化，并进而影响电路的工作状态。另外，RD为复位输入端，当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出V0为低电平，即RD的控制级别最高。正常工作时，一般应将其接高电平。上一页下一页返回任务1555定时器及其应用555定时器的逻辑功能如表4.1所示。表4.2中，UREF1=VCC，UREF2=VCC。二、单稳态触发器单稳态触发器是只有一个稳定状态的电路，其特点是:有一个稳定状态和一个暂稳态;在触发脉冲作用下，电路将从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态停留一段时间后，又自动返回到稳定状态;暂稳态时间的长短取决于电路本身参数，与触发脉冲的宽度无关。(注意:触发脉冲为窄脉冲，其宽度应小于暂稳态的宽度。)上一页下一页返回任务1555定时器及其应用1.用555定时器构成的单稳态触发器1)电路组成图4.2

(A)是由555定时器构成的单稳态触发器。输入信号u1加在低触发端TR(2脚)，并将高触发端TH(6脚)与放电端D(7脚)接在一起，然后再与定时元件R,C相接。2)工作过程(1)稳态:电源接通前，u1为高电平。接通电源，VDD经R对电容C充电，当电容C上的电压uc>VDD

时，由于u1>VDD

。于是“同高出低”，555定时器输出为低电平，即u0=0。放电管VT导通，电容C经VT迅速放电，uC≈0，此时UTH=uC<VDD

、UTR=u1>VDD

，则“不同保持”，即输出u0为稳定的低电平，工作波形如图4.2(B)中0~t1段所示。上一页下一页返回任务1555定时器及其应用(2)暂稳态:在负脉冲u1作用下，低触发端TR得到低于VDD的触发电平，而此时uC=0，即uc<VDD

时，由于uTR<VDD

，则“同低出高”，即输出u0为高电平，同时放电管VT截止，电路进入暂稳态，定时开始。工作波形如图4.2(B)中的t1~t2段所示。暂稳态阶段，电容C充电，充电回路为价VDD->R->C->地，充电时间常数τ≈RC，按指数规律上升。(3)自动返回稳定状态:当电容电压uC上升到VDD时，uTH≥VDD

、uTR≥VDD

，则有“同高出低，输出u0由高电平变为低电平，放电管VT由截止变为饱和，暂稳态结束。电容C经放电管VT放电至0V，由于放电管饱和导通的等效电阻较小，所以放电速度快，在这个阶段，输出u0维持低电平。工作波形如图4.2(B)中的t2~t3段所示。上一页下一页返回任务1555定时器及其应用电路返回稳态后，当下一个触发信号到来时，又重复上述过程。由图可见，输出脉冲宽度tw为定时电容C上的电压uC由0充到所需的时间，其大小可用下式估算:由上式可见，脉冲宽度tw大小与定时元件R,C的大小有关，而与输入脉冲宽度及电源电压大小无关，调节定时元件，可以改变输出脉冲宽度。当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳定状态以后，tw时间内的其他触发脉冲对触发器就不起作用;只有当触发器处于稳定状态时，输入的触发脉冲才能起作用。上一页下一页返回VDD任务1555定时器及其应用2.单稳态触发器的应用。1)定时单稳态触发器可以构成定时电路，与继电器或驱动放大电路配合，可实现自动控制、定时开关的功能等。2)分频当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳状态，在此脉冲以后时间tw内，如果再输入其他触发脉冲，则对触发器状态不再起作用;只有当触发器处于稳定状态时，输入的触发脉冲才起作用，分频电路正是利用这个特性将高频率信号变换为低频率信号，电路如图4.3所示。上一页下一页返回任务1555定时器及其应用三、多谐振荡器多谐振荡器是能产生矩形脉冲波的自激振荡器，由于矩形波中除基波外，还包含许多高次谐波，因此这类振荡器被称为多谐振荡器。多谐振荡器一旦起振后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们交替变化，输出连续的矩形波脉冲信号，因此它又称为无稳态电路，常用做脉冲信号源。1.用555定时器构成的多谐振荡器1)电路组成电路如图4.4(A)所示，定时元件除电容C之外，还有两个电阻R1和R2

。将高、低触发端(6脚、2脚)短接后连接到C与R2的连接处，将放电端(7脚)接到连接处。由图可见，uC=UTH=UTR。上一页下一页返回任务1555定时器及其应用2)工作原理在接通电源瞬间t=t0时，电容C来不及充电，uC为低电平，此时，uTH<VDD

、uTR

<VDD，则有“同低出高”，输出u0为高电平。同时放电管VT截止，电容C开始充电，电路进入暂稳态。一般多谐振荡器的工作过程可分为以下四个阶段，如图4.4(B)所示。(1)暂稳态1(t0~t1):电容C充电，充电回路为VDD->R1->R2->C->地，充电时间常数为t1=(R1+R2)C,电容C上的电压uC随时间t按指数规律上升，当VDD<uC<VDD，则有“不同保持”，即输出u0暂稳在高电平。上一页下一页返回任务1555定时器及其应用(2)自动翻转11(t=t1):当电容上的电压uC上升到VDD时，则有“同高出低”，即输出u0由高电平跳变为低电平，电容C中止充电。(3)暂稳态1(t1~t2):此时，放电管VT饱和导通，电容C放电，放电回路为C->R2->放电管VT->地，放电时间常数τ1=R2C(忽略放电管VT的饱和电阻RCES)电容电压按指数规律下降，同时使输出维持在低电平上。(4)自动翻转11(t=t2):当电容上的电压uC上升到VDD时，则有“同低出高”，即输出u0，由低电平跳变为高电平，电容C中止放电。由于放电管VT截止，电容C又开始充电，进入暂稳态1。以后，电路重复上述过程，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们交替变化，输出连续的矩形波脉冲信号。上一页下一页返回任务1555定时器及其应用3)主要参数两个暂稳态维持时间t1和t2的计算公式为:振荡周期为:

振荡频率为:占空比为:上一页下一页返回任务1555定时器及其应用四、施密特触发器施密特触发器最重要的特点是能够把变化缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲。同时，施密特触发器还可利用其回差电压来提高电路的抗干扰能力。1.电路组成及工作原理555定时器构成的施密特触发器如图4.5所示。2.电压滞回特性和主要参数电压滞回特性如图4.6所示。3.施密特触发器的典型应用施密特的主要作用是小幅值干扰不会对反相器产生影响，从而避免了误动作发生。上一页下一页返回任务1555定时器及其应用因此斯密特触发器的最主要应用主要是为了提高抗干扰能力。如果刚好设定在5V，那么当电源在5V附近小范围的波动时，就会导致检测电路不停的动作。如果加上一个施密特触发器，就可以设定一个范围了。另外也可以将它用在复位电路中。些外还经常用于触发、波形整形、滤波用作反向器等。1)波形变换可以将任何符合特定条件的输入信号变为对应的矩形波输出信号。2)幅度鉴别幅度鉴别如图4.7所示。3)脉冲整形脉冲整形如图4.8所示。上一页下一页返回任务1555定时器及其应用4.集成施密特触发器施密特触发器可以由555定时器构成，也可以用分立元件和集成门电路组成。因为这种电路应用十分广泛，所以市场上有专门的集成电路产品出售，称之为施密特触发门电路。集成施密特触发器性能的一致性好，触发闽值稳定，使用方便。1)CMOS集成施密特触发器图4.9是CMOS集成施密特触发器CC40106六反相器)的引线功能图，表4.3所示是其主要静态参数。2)TTL集成施密特触发器图4.10所示是TTL集成施密特触发器74LS14外引线功能图，其几个主要参数的典型值如表4.4所示。上一页下一页返回任务1555定时器及其应用TTL施密特触发与非门和缓冲器具有以下特点:(1)输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作。(2)对于闽值电压和滞回电压均有温度补偿。(3)带负载能力和抗干扰能力都很强。集成施密特触发器不仅可以做成单输入端反相缓冲器形式，还可以做成多输入端与非门形式，如CMOS四2输入与非门CC4093,TTL四2输入与非门74LS132和双4输入与非门74LS13等。上一页返回任务2报警器电路的设计与仿真一、报警器概述报警器在实际的生活中可以见到许多，运用于生活的许多方面，既有硬件实现的，也有硬件和软件同时控制执行。通过该任务，可以很好地将课本知识运用于实践，同时也可以激发学生学习与专业相关的一些知识，从而扩大自己知识面的广度。二、报警器电路的组成部分如图4.22所示，声光报警电路由闪光灯报警和蜂鸣器报警两部分组成，其中蜂鸣器报警只有在闪光灯报警状态下才可发出一定音调的鸣声，随着闪光灯闪烁，蜂鸣器发出间隙声响。下一页返回任务2报警器电路的设计与仿真三、报警器电路的工作原理1.原理图原理图如图4.23所示。声光报警电路是一种防盗装置，在有情况时它通过指示灯闪光和蜂鸣器鸣叫，同时报警。要求指示灯闪光频率为1~2Hz,蜂鸣器发出间隙声响的频率约为1000Hz,指示灯采用发光二极管电路由两个555多谐振荡器组成，第一个振荡器的振荡频率为1~2Hz时，第二个振荡器的振荡频率为1000Hz。将第一个振荡器的输出(3脚)接到第二个振荡器的复位端(4脚)。在输出高电平时，第二个振荡器振荡;输出低电平时，第二个振荡器停振。这样，蜂鸣器将发出间隙声响。上一页下一页返回任务2报警器电路的设计与仿真2.工作原理对于C1:通电后:VCC通过R1、R2对C1进行充电，充电时间为:当电解电容电压UC<VCC时，UO1=1;此时RD=UO1，复位无效，C2工作;当电解电容电压VCC<UC<VCC时，UO1n+1=UO1n，即输出保持原状态不变，二极管共组，C2同样如此;上一页下一页返回任务2报警器电路的设计与仿真当电解电容电压UC＞VCC时，UO1=0，则电容C1经过R2放电，放电时间为:此时C2复位端RD=UO1=0，复位有效，则C2输出为低电平，蜂鸣器不工作.对于C2

:当RD=0时，VCC通过R3,

R4对C2进行充电，充电时间为:上一页下一页返回任务2报警器电路的设计与仿真当电解电容电压UC<

VCC时，UO2=1，蜂鸣器发出声响;当电解电容电压

时，UO2保持原状态不变，蜂鸣器工作;当电解电容电压，时，UO2=0，C2通过R4放电，放电时间为:UC始终在

VCC

到VCC之间来回充电放电。蜂鸣器就会发出固定频率的声音。上一页下一页返回VCC<UC<VCCUC＞VCC任务2报警器电路的设计与仿真3.性能指标要求对于C1而言:二极管闪烁频率f1=1/T1,所以，上一页下一页返回任务2报警器电路的设计与仿真对于C2而言:蜂鸣器音调高低对应不同的频率f2=1/T2,所以:故在调试过程中，可通过二极管闪烁频率，蜂鸣器音调高低来判断待调试报警工作状态是否标准。上一页返回任务3报警器电路的制作与调试一、报警器电路板的制作该电路的设计使用多孔板制作。而制作电路产品要使用焊接技术。焊接前应准备好焊接工具和材料，清洁被焊件及工作台，进行元器件的插装及导线端的处理，左手拿焊丝，右手握电烙铁，同时进入备焊状态。电烙铁头放置焊件处加热，焊锡丝在电烙铁对侧，立即送入焊锡丝。待焊锡在焊点上全部湿润后锡丝移开应略早于电烙铁。待焊点全部焊接完后，按照电路图用导线将各个焊点连接起来，电路初步就做成了。将电路接入微型计算机电源5V中，接通电源，试听扬声器声音。只能听见“滴……”的一种声音。接入示波器中几乎只见到一种波形，其间偶尔出现一点高频，电路设计的效果不好。下一页返回任务3报警器电路的制作与调试现在取下R5，断开IC1的3脚与IC2的5脚，在IC2的5脚接一个0.01μF的电容，接通电源，用示波器观察IC1和IC2的输出波形。然后观察到的IC1和IC2的输出波形均为正常的矩形方波。1.电路安装工艺要求(1)元件布置必须美观、整洁、合理。(2)所有焊点光亮、圆润。(3)连接导线应横平竖直，连接正确，尽量不交叉;走线美观、简洁。2.注意极性(1)三极管:保留一半高度，注意代号位置和管脚极性。(2)电容:瓷片电容保留一半高度;电解质电容垂直插到底，注意正负极性。上一页下一页返回任务3报警器电路的制作与调试(3)发光二极管:分清正负极，按开孔位置弯曲好形状后再焊。(4)电源线:按图装配，注意正