点击此处下载2013~2014电工电子实训预习材料.doc

说明：少学时（1 模块）学生只需完成设计 1 的内容；多学时学生需要完成 2 个 设计的内容 555 定时器原理与应用设计 1 1、概述 555 定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，利用它能极方便构成施密特触发 器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以 555 定时器在波形的产生与交 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。 本次实训要求根据提供的信息设计一个由 555 定时器构成的多谐振荡器并写出相应的 实训报告。多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。电 路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互 转换而输出一系列矩形波。因此，多谐振荡器可以用作方波发生器。 2、DIP 封装 555 芯片引脚图及功能 555 引脚图如图 1 所示，引脚功能如图 2 所示。阅读引脚图时首先找准正方向标示符 （缺口），保证标示符的方向朝上。然后从左上角的引脚（傍边有一个圆点）开始按照逆时 针的顺序依次读出每个引脚的序号。最后对照序号与图 2 弄清每个引脚的具体功能。 图1 555 引脚图 图2 555 引脚功能 3、555 定时器内部电路结构与工作原理 图3 555 定时器内部电路结构 从图 3 可以看出 555 定时器主要由以下几个部分组成：  直流偏置电阻。图 3 左端从上之下有三个完全一样的 5kΩ电阻，这三个电阻以串 联方式接于电源与地线之间组成分压器，保证 VR1=2/3VCC，VR2=1/3VCC。由于三 个电阻的阻值都是 5kΩ，这也是 555 定时器得名的原因。  比较器。C1，C2 是两只由运算放大器构成的比较器。C1 比较器的同相端输入为 VR1 （2/3VCC） ，也可以根据应用需要通过 5 脚外接控制电压，当 C1 的反向输入端（6 脚）的输入电压大于 VR1 时，输出 VC10V；反之则 VC1VCC。同理可得比较器 C2 的工作模式。  RS 触发器。G1，G2 是两个与非门，它们构成了一个基本 RS 触发器。其中，VC1 是复位端（R 端） ，VC2 是置位端（S 端） 。当 VC20V 时，QVCC；当 VC10V 时， Q0V。G3 是与非门，其作用是在 4 脚的复位信号有效时使芯片复位。G4 是非门，  由于 Q 的值在输出后被 G3 进行了一次取反运算，因此将 G3 的输出结果再进行一 次取反运算就保证了 Vo 与 Q 的值保持一致。 BJT 放电管。放电管 TD 的基极受 G3 输出控制。当 G3 输出为低电平时，TD 截止； 当 G3 输出为高电平时，TD 进入深度饱和状态。 4、555 定时器应用电路——多谐振荡器 用 555 定时器外接少量的电阻和电容即可构成多谐振荡器。图 4 是用 555 定时器构成多 谐振荡器的典型电路。 图4 555 多谐振荡器 接通电源后，RS 触发器初始状态 Q=1，因此给 BJT 基极一个低电平，此时 BJT 截止。 故电源 VCC 通过 R1、R2 给电容 C 充电，VC 逐渐由 0V 以指数函数形式上升。当 VC 上升到 2/3VCC 时，比较器 C1 被触发，VC10V，Q0V，此时给 BJT 基极一个高电平，BJT 进入深 度饱和，555 的 1 脚和 7 脚近似短路，电容 C 通过 R2 放电，VC 迅速以指数函数形式下降。 当 VC 下降到 1/3VCC 时，比较器 C2 被触发，VC20V，Q1，BJT 再次截止。如此不断周而 复始，便可以产生方波。这个过程可以用图 5 来表示。 图5 555 多谐振荡器工作波形 在图 5 中，方波高电平持续时间用 tPH 表示，低电平时间用 tPL 表示， 一个周期用 T=tPH+tPL 来表示。事实上可以计算： tPH  R1 R2C ln 2  0.7R1 R2C （1） tPL  CR2ln 2  0.7CR2 （2） 因此，多谐振荡器的振荡周期 T 为： T=0.7（R1+2*R2）C （3） 定义一个周期内高电平持续时间占整个周期的百分比为占空比。占空比（D）可以用下 面的式子表示： D tpH R1 R2 100%  100% tpH  tpL R1 2R2 （4） 从（1）~（4）式可以看出，由 555 构成的多谐振荡器的方波输出参数（周期、占空比） 仅与外围元件的选择有关，而与电源 VCC 无关。请在实训预习期间自行推导（1）~（4）式。 最后，可以发现在 5 脚和地线之间有一个 0.01uF 的小电容，这个电容主要是为了消除 电源与地线中的毛刺干扰而使触发器发生误翻转。该电容不会影响输出波形的周期。 5、实训设计 用 555 定时器设计并制作一个多谐振荡器。 要求： 1、震荡周期为 1KHz 误差 10%以内，即输出范围：900Hz~1100Hz； 2、方波占空比为 75%； 3、根据设计要求和制作情况撰写实训报告。实训报告中应包括详细的设计步骤，即元 件参数的选择计算过程。设计、制作中出现的问题和解决的办法，实训心得小结等内容； 4、由于元件存在误差，使得输出频率往往与设计值存在误差，请根据以上内容对图 4 进行一下改进，使输出频率可以手动调节以使误差减少。（要求 4 作为实训报告思考题只需 在实训报告中画出设计图，标注元件参数即可，无需在课堂制作） 注意：电阻的选择应选择符合国家标准 5%精度或 1%精度的标准电阻，电容的选择也 应符合相应的标准。 555 定时器原理与应用设计 2 1、555 定时器应用电路——单稳态触发器 555 定时器的另一种常用电路就是单稳态触发器。所谓单稳态是指这种触发器只有一个 稳定状态，当触发器发生触发动作后会暂时工作到另一种状态（称为暂态），经过一段时间 后，触发器又会自动回归稳态。 与多谐振荡器类似，仅需少量的外部元件即可用 555 构成单稳态触发器。图 1 是用 555 构成单稳态触发器的电原理图。 图1 555 构成单稳态触发器 接通电源后，保持 2 脚输入为高电平，BJT 饱和，1 脚与 7 脚近似短路，VC0V，VO0V 电路处于稳态。当 2 脚输入一个负脉冲信号时，BJT 截止，电源 VCC 通过 R 对 C 充电，VC 上升，与此同时 VO 此刻发生翻转，当 VC 上升至 2/3VCC 时 BJT 深度饱和，C 迅速放电直至 VC0V。单稳态触发器的工作波形如图 2 所示： 图2 单稳态触发器的工作波形 可以证明，图 2 中输出持续高电平的时间 TW=RCln31.1RC。 2、实训设计 图 2 所示的这种单稳态电路，一种经常的应用领域就是电子门铃。 门铃的稳态是无输出状态，当用手触碰门铃开关时相当于给门铃电路输入一个负脉冲， 此时门铃进入暂态——发出声响。经过一段时间后，电路自动返回到无输出的稳态。 根据图 2 的提示，用蜂鸣器模拟门铃声音发生器设计一个简易门铃电路。 要求： 1、门铃声响时间持续 4s 左右； 2、根据设计要求和制作情况撰写实训报告。实训报告中应包括详细的设计步骤，即元 件参数的选择计算过程。设计、制作中出现的问题和解决的办法，实训心得小结等内容； 提示： 1、门铃按钮是负脉冲电路的差生装置，实验室内采用轻触开关模拟。即要设计一个用 手动轻触开关产生负脉冲的电路作为单稳态触发器的输入源； 2、蜂鸣器不宜用单稳态触发器输出直接驱动，最好采用三极管驱动。即在输出端设计 一个能够驱动蜂鸣器的电路。