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文档简介
1、目 录 1.引言1 2 设计 2 3 设计整体思路.2 4 555 定时器.3 3 4.1 555 定时器概述 .3 4.2 555 定时器的功能.3 4.3 555 定时器的应用 .4 4.4 555 时基电路的电路结构和逻辑功能 .4 4.4.1 电路结构及逻辑功能.4 4.4.2 555 时基电路的主要参数 .6 5 基本原理框图.7 7 5.1 基本原理.7 5.2 设计基本框图.8 5.3 实际电路图.9 6 具体电路设计及单元电路 .1010 6.1 控制电路.10 6.2 主电路.11 6.3 电源电路.11 7 仿真分析.1212 7.1 仿真软件介绍 .12 7.3 理论分析
2、.16 7.4 仿真分析.16 参 考 文 献 .1717 致谢 18 1. 引言 现代玩具工业在经历了塑料玩具、电子玩具之后正在向智能玩具时代迈进, 并不断地用高科技武装玩具,研发出各种集知识性、趣味性于一体的智能玩具。 智能玩具的各项技术的研发是高端技术的试验田和基础源泉,智能玩具的开发 研制将在社会中新技术发展,提高人们生活质量中发挥越来越重要的作用。具 体表现在: (1)为智能玩具应用高端科技提供技术基础支持,学习锻炼的平台; (2) 智能玩具可开发智力,锻炼技术,提高创新水平。 2 设计目的 2.1 了解并掌握电路的一般设计方法,具备初步的独立设计能力。 2.2 学习 Multisi
3、m 仿真软件。 2.3 通过课程设计,加深对 555 集成电路有关知识的掌握与理解,培养对电路 的设计与分析能力。 3 设计整体思路 555 集成电路功能强大,可实现多种功能并且成本较低,可行性较高,设 计的可调速玩具电动车以 555 集成电路为核心,设计思想主要是通过调节 555 振荡器的充电时间常数来调节玩具电动机的转速。电路由三部分构成:控制电 路,主电路,电源电路。玩具车的调速过程如下:合上电源开关,555 定时器 输出矩形脉冲,在输出高电平时,电动机得电运转,输出低电平时,电动机失 电,只能依靠自己的惯性运转。调节控制电路的滑变电阻器,就能改变 555 振 荡器的充电时间常数,从而改
4、变输出高电平、低电平的占空比,也就达到了调 节玩具车速度的目的。 4 555 定时器 4.1 555 定时器概述 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。一般用双极 性工艺制作的称为 555,用 CMOS 工艺制作的称为 7555,除单定时器外,还有 对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽,可在 4.5V16V 工 作,7555 可在 318V 工作,输出驱动电流约为 200mA,因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 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
5、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。它内 部包括两个电压比较器,三个等值串联电阻,一个 RS 触发器,一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压 VCC /3 和 2VCC /3。 4.2 555 定时器的功能 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压,当 5 脚悬空时,则电压比 较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3,A2 的同相输入端的电压为 VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于 VCC /3,则比较器 A2 的输出为 1,可使 RS
6、触发器置 1,使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3, 同时 TR 端的电压大于 VCC /3,则 A1 的输出为 1,A2 的输出为 0,可将 RS 触发器置 0,使输出为 0 电平。 555 定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。 两个比较器 C1 和 C2 各有一个输入端连接到三个电阻 R 组成的分压器上, 比较器的输出接到 RS 触发器上。此外还有输出级和放电管。输出级的驱动电流 可达 200mA。 比较器 C1 和 C2 的参考电压分别为 UA 和 UB,根据 C1 和 C2 的另一个输入 端触发输入和阈值输入,可判断出 RS 触发器的输出状态。当
7、复位端为低电 平时,RS 触发器被强制复位。若无需复位操作,复位端应接高电平。 4.3 555 定时器的应用 (1)构成施密特触发器,用于 TTL 系统的接口,整形电路或脉冲鉴幅等; (2)构成多谐振荡器,组成信号产生电路; (3)构成单稳态触发器,用于定时延时整形及一些定时开关中。 555 应用电路采用这 3 种方式中的 1 种或多种组合起来可以组成各种实用 的电子电路,如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、 玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电 路等。 555 时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的组 合集成电路。该电
8、路可以在最基本的典型应用方式的基础上,根据实际需要, 经过参数配置和电路的重新组合,与外接少量的阻容元件就能构成不同的电路, 因而 555 电路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应用。 4.4 555 时基电路的电路结构和逻辑功能 4.4.1 电路结构及逻辑功能 图 1 定时器内部电路图 图 2 555 时基电路的电路结构和引脚图 由图可知 555 电路由电阻分压器、电压比较器、基本 RS 触发器、放电管和 输出缓冲器 5 个部分组成。它的各个引脚功能如下: 1 脚:GND(或 Vss)外接电源负端 VSS 或接地,一般情况下接地。 2 脚:TR 低触
9、发端。 3 脚:OUT(或 Vo)输出端。 4 脚:R 是直接清零端。当 R 端接低电平,则时基电路不工作,此时不论 TR、TH 处于何电平,时基电路输出为“0” ,该端不用时应接高电平。 5 脚:CO(或 VC)为控制电压端。若此端外接电压,则可改变内部两个比较 器的基准电压,当该端不用时,应将该端串入一只 0.01F 电容接地,以防引 入干扰。 6 脚:TH 高触发端。 7 脚:D 放电端。该端与放电管集电极相连,用做定时器时电容的放电。电 阻分压器由三个 5k 的等值电阻串联而成。电阻分压器为比较器 C1、C2 提供 参考电压,比较器 C1 的参考电压为 2/3Vcc,加在同相输入端,比
10、较器 C2 的参 考电压为 1/3Vcc,加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放 C1、C2 组成。高电平触发信号加在 C1 的反相输入端,与同相输入端的参考电压比较后, 其结果作为基本 RS 触发器 R 端的输入信号;低电平触发信号加在 C2 的同相输 入端,与反相输入端的参考电压比较后,其结果作为基本 RS 触发器 S 端的输入 信号。基本 RS 触发器的输出状态受比较器 C1、C2 的输出端控制。 8 脚:VCC(或 VDD)外接电源 VCC,双极型时基电路 VCC 的范围是 4.516V,CMOS 型时基电路 VCC 的范围为 318V。一般用 5V。 在 1 脚接地,5 脚未
11、外接电压,两个比较器 C1、C2 基准电压分别为 2/3Vcc,1/3Vcc 的情况下,555 时基电路的功能表如表 1.1 所示: 表 1.1 555 时基电路的功能表 输入输出 清零端R高触发端 TH 低触发端 RT OUT() 2n Q 放电管 VT 功能 0XX0 导通直接清零 1 cc V 3 2 cc V 3 1 0 导通置 0 1 cc V 3 2 cc V 3 1 1 截止置 1 1 cc V 3 1 不变 n Q 不变保持 4.4.2 555 时基电路的主要参数 555 时基电路的主要参数有电源电压、静态电流、定时精度、阈值电压、 阈值电流、触发电压、触发电流、复位电压、复位
12、电流、放电电流、驱动电流 及最高工作频率。 电源电压:4.516V 静态电流:10mA 定时精度:1% 阀值电压: cc V 3 2 阀值电流:0.1uA 触发电压: cc V 3 1 触发电流:0.5uA 复位电压:1V 复位电流:400uA 放电电流:200mA 驱动电流:200mA 最高工作频率:500kHz 5 基本原理框图 5.1 基本原理 把 555 定时器的 TH、TR 两个输入端即、端连接在一起,再外接电阻 ,和电容,就可以构成多多谐振荡器,该电路不需要外加出发信号, 通电后能产生周期性的矩形脉冲或方波。 图 3 多谐振荡器 图 4 产生的矩形波 5.2 设计基本框图 控制电路
13、主电路电源 5.3 实际电路图 6 具体电路设计及单元电路 6.1 控制电路 控制电路由电阻,滑动变阻器 RP,二极管 D1,D2,电容 C2,C3 构21R,R 成,555 定时器组成。 工作原理和控制过程如下: 调节的阻值,就可以调节输出高电平 1T的宽度,从而有效地改变输出 波形的占空比,也达到了调节小车转速的目的。充电时,电源通过 R1,RP 的上 半部分,D2 向电容 C2 充电,当电容 C 上的电压 Uc 略微超过 2/3Vcc 时,C2 上 的电荷通过 D1,R2,RP 的下半部分向芯片内的放电管泄放,即放电回路与充电 回路由于 D1、D2 的接入是分开的,电路参数的振荡频率为
14、1.43Hz,占空比范 围为 0.250.75。调节 RP1,可调节其占空比,实际上是调节电路的充放电时 间常数,从而调节电动机的通电时间,即达到了调节电动机转速的目的。 路。 由于电路接入了二极管 D1、D2,即放电回路与充电回路由于二极管的接入 而分开,充电时在 R1、RP 上半部分、D2 支路,放电时在 D1、R2,下半部 分支路。 这种玩具车是以 555 集成电路为核心组成的,通过调节 555 振荡器的充电 时间常数,来调节电动车电动机的转速 555 和电阻、电容组成一个元稳态多谐振荡器。多谐振荡器有两个暂稳态。 在刚通电时,2 脚的低电位使 555 先处于置位状态,由于 C1 上的电
15、压不会突变, 低于 1/3Vcc,555 定时器内部 VT 截止,脚输出的 U o 为高电平,电源 Vcc 通 过 R1,RP,D2 给电容 C2 充电。随着充电的进行,Uc2 逐渐增大,但是只要 1/3VccUc2/3Vcc,输出电压 Uo 就一直保持高电平不变,电机在高电平时候运 转,这就是第一个暂稳态。 当电容 C2 上的电压 Uc 略微超过 2/3Vcc 时,RS 触发器置 0,使输出电压从 原来的高电平转为低电平,3 脚转为低电平,既 Uo=0,VT1 截止,电动机 M 失 电,电动车依靠惯性滑行。VT 饱和导通,此时的电容 C2 通过二极管 VD2、R2、RP 向芯片内的放电管泄放
16、。随着电容 C 放电,Uc 下降,但只要 1/3VccUc2/3Vcc,Uo 就一直保持低电平不变,这是第二个稳态。 当 Uc 下降到略低于 1/3Vcc 时,RS 触发器置 1,电路输出又变为高电平, ,VT 截止,电容 C1 再次充电,又重复上述过程,电路变输出周期性矩形脉冲。 其工作过程如图 图 5和关系图c2UUo 多谐振荡器的震荡频率为 f=1.44/(R1+RP+R2+R3)C2 调节 RP1,可调节充放电时间常数,从而调整电动机的通电时间,并达到 调节电动机转速的目的。 6.2 主电路 输出电路由电阻 R3,三极管 VT,电容 C1 和电动机构成。电阻 R3 和三极管 的基极直接
17、相连,起到调节三极管基极电流的作用,取值 R4=150 。 因为电容是储能元件,有消除尖峰电压的作用。跨接在电动机 M 两端的电 容器 C1 还起起平滑的作用,可消除直流电动机的电刷火花,并使调速更加平稳, 同时对防止三极管 VT 被反向击穿也有好处。 VT1 可选用 NPN 型管 8050,它的 Pcm=1W,Icm=1.5A ,BVcom=25V,BVebo=6V;电 位器可选用带开关的电位器,如 WH9-K1 等。 6.3 电源电路 555 定时器的工作电压范围是 4.5V18V,电路承受电压的能力也较大,市 场上玩具电动车的主流电压是 6V,因此选 6V 的工作电源,开关则选普通的动
18、合开关。 7 仿真分析 7.1 仿真软件介绍 Multisim 是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以 Windows 为基础的仿真 工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形 输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。我们可以使用 Multisim 交互式地搭建电路原理图,并对电路进行仿真。 Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容, 因此无需懂得深入的 SPICE 技术就可以很快地进行 捕获、仿真和分析新的设计,这也使其更适合电子学教育。通过Multisim 和虚拟仪器技术, PCB 设计工程和电子 学习研究可以完成从理论到原理图捕 获
19、与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 Multisim10.1 仿真实验在实验教学中的优势: 1.高指标的虚拟仪器和充足的元器件资源 电子仿真实验软件内的虚拟仪器不仅品种齐全,而且技术指标高,随时可以拖 放到工作区使用,并能实时显示有关数据和波形。 2.弥补了实验经费不足的缺憾 传统的电子技术实验需要有仪器设备和元器件的支持,有些实验仪器耗资 大,仪器操作技术要求较高,在教育经费不足的情况下,有些学校所能开出的 实验项目和数量受到限制。特别是近年来一些学校扩大招生规模,而实验基础 设施跟不上,仿真电子实验弥补了因实验仪器及经费不足造成的缺憾。另外, 仿真实验不涉及仪器折旧和更新
20、换代,通过软件升级就能保持实验的先进性。 一些需要价格昂贵的仪器而无法开展的实验,通过仿真就能够容易实现。 3.扩展了学生的实践空间和实验内容 仿真实验可作为学生实验前的预习和课后分析总结,也可作为学生创造性 思维的检验平台。只要有 Multisim 软件和一台计算机就能进行电子技术仿真实 验,打破了时间和空间的限制,学生可以在不同的时间、地点和领域自主进行 实验,增强他们提出问题、分析问题和解决问题的能力,并根据自己的兴趣爱 好,选择一些传统实验较少涉及的实验内容,如用运算放大器实现回转器、负 阻抗变换器等,这部分内容的实现原理在近代教科书中早有论述,用传统方法 进行实验比较繁琐,采用 Mu
21、ltisim 电子工作平台则容易分析它们的性能。因此, 电子仿真实验满足了不同层次学生的需要,从而大大扩展了实践空间和实验范 围。 4.有利于学生开展探索性研究性实验 传统的电子技术实验教学,任课老师在课前把仪器设备及元器件准备好,学生 照讲义的实验步骤按部就班的进行,这就不可避免地把学生置于被动地位,他 们很少有机会按自己的思维开展设计性实验。近年来,新的教育理念强调教学 要以学生为主体,要注重培养学生的创新思维。许多院校大幅度压缩验证性实 验的比例,增加设计性实验的内容,但在实际运作过程中,往往因仪器和元器 件不足而存在着很大的局限性。仿真电子实验使学生进行研究和探索性实验成 为可能。 7
22、.2 电路仿真加原理图 以下是示波器,电压表,电流表测量的各个点的接线图 其中:示波器 1A 通道测量 555 的输出电压 Uo,B 通道测三极管基极电压 ,电流表 1 测量通过电机电流,电流表 2 测基极电流电压表 3 测电机bUMI BI 电压,电压表 4 测三极管,电压表 5 测量电阻电压。MUCEU3R q 最大 q 最小 q 为 50% 原理图 7.3 理论分析 取值: ,K10RR21 10KRP100uFC1uF50C2 10nFC3 电源电压: 其中 RP 为滑动变阻器。 在电动机电路中,因为电流较小,端电压和电流的近似呈线性关系,经测定, 等效电阻为,三极管的放大倍数为: 3
23、Rm52 充电时间:C)RPR(7.0T111 放电时间:C)RPR(7.0T222 2 23121213 周期:C)RPRR(7.0T21 理论计算结果:T=1.05s, 最大占空比:=66.7%)RPRR(/)RPR(1111q 最小占空比:=33.3%)RPRR/()RPR(2122minq 功率: = PMUMIM 7.4 仿真分析 由仿真结果,可以计算仿真值如下: (1)当 q 为最大时 q=622.879ms/880.682ms=0.753 U =1.878V U =1.94V,I =646.641mA3MM 得最大的功率:P =1.254WM (2)当 q 最小时 q=227.28ms/899.621ms=25.3% U =658.535m
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