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1、实验二 占空比可调的矩形波发生器实验二占空比可调的矩形波发生器实验 一、 实验目的 1. 掌握NE555、ICM7555等定时器芯片的使用方法； 2. 了解占空比可调的矩形波发生器的设计方法。 二、 实验原理 1.定时器介绍 555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555和C7555等多种。通常，双极型产品型号最后的三位数码都是555，CMOS产品型号的最后四位数码
2、都是7555，它们的结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。一般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时电路具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为516V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压变化范围为318V，最大负载电流在4mA以下。 图1为555集成电路内部结构框图。其中由三个5K的电阻R1、R2和R3组成分压器，为两个比较器C1和C2提供参考电压，当控制端VM悬空时，VA=2VCC/3，VB=VCC/3，当控制端加电压时VA=VM，VB=VM/2。 VCC 复位 RD 4 5K 放电 Q 7
3、8 控制 VM 阈值 TH 触发 TR 2 5 6 VA 5K + - + VB 5K C1 VC1 & Q 1 3 VO 输出 & Q - C2 VC2 TD 1 GND 图1 555定时器结构框图 放电管TD的输出端Q为集电极开路输出，其集电极最大电流可达50mA，因此具有较大的带灌电流负载的能力。555集成电路的输出级为推拉式结构。 加低电平或接地，不管其他输入状态如何，均可使它的输出VO为“”电平。正常工作时必须使RD处于高电平。 2功能 555定时器的功能主要是由两个比较器C1和C2的工作状况决定的。由图1可知，当V6VA、V2VB时，比较器C1的输出VC1=0、比较器C2的输出VC
4、2=1，基本RS触发器被置0，TD导通，同时VO为低电平。 当V6VB时，VC1=1、VC2=1，触发器的状态保持不变，因而TD和输出的状态也维持不变。 当V6VA、V2VB时，VC1=1、VC2=0，故触发器被置1，VO为高电平，同时TD截止。 RD是置零输入端，若复位端RD这样我们就得到了表1 555定时器的功能表。 3应用 3.1用555定时器构成的施密特触发器 施密特触发器具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。 1 电路组成及工作原理 VCCVCC2RD47表1 555定时器的功能表 输 入 阈值输入V6 触发输入V2 复位R0 1 1 1 D输 出 输
5、出VO 0 1 0 不变 放电管状态TD 导通 截止 导通 不变 VA VA VB VB vI2VCC31V3CCtVCC8RvICvI1vIvI25655521vO23vO1vO1t(a)电路图(b)波形图图2 555定时器构成的施密特触发器 vI =0V时，vo1输出高电平。 当vI上升到2Vcc时，vo1输出低电平。当vI由2Vcc继续上升，33vo1保持不变。 当vI下降到1Vcc时，电路输出跳变为高电平。而且在vI继续3下降到0V时，电路的这种状态不变。 图中，R、VCC2构成另一输出端vo2，其高电平可以通过改变VCC2进行调节。 2 电压滞回特性和主要参数 电压滞回特性 voVO
6、HvIvoVOL01VCC32V3CCVCCvI(a)电路符号(b)电压传输特性图3 施密特触发器的电路符号和电压传输特性 主要静态参数 上限阈值电压VT+vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。VT+=2V。 3cc下限阈值电压VTvI下降过程中， vO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。VT=1Vcc。 3回差电压VT 回差电压又叫滞回电压，定义为 VT= VT+VT =1Vcc 3若在电压控制端VIC外加电压VS，则将有VT+=VS、VT=VS/2、VT= VS/2，而且当改变VS时，它们的值也随之改变。 3.2 用555定
7、时器单稳态触发器 单稳态触发器具有下列特点：第一，它有一个稳定状态和一个暂稳状态；第二，在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；第三，暂稳状态维持一段时间后，将自动返回到稳定状态。暂稳态时间的长短，与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。 单稳态触发器在数字系统和装置中，一般用于定时、整形以及延时等。 1电路组成及工作原理 无触发信号输入时电路工作在稳定状态 当电路无触发信号时，vI保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端vO保持低电平，555内放电三极管T饱和导通，管脚7“接地”，电容电压vC为0V。 vI下降沿触发 当vI下降沿到达时，555触发输入端由高电平跳变为低电平，电路
8、被触发，vO由低电平跳变为高电平，电路由稳态转入暂稳态。 暂稳态的维持时间 在暂稳态期间，555内放电三极管T截止，VCC经R向C充电。其充电回路为VCCRC地，时间常数1=RC，电容电压vC由0V开始增大，在电容电压vC上升到阈值电压2Vcc之前，电路将保持暂稳态不3变。 VCCRvIVCC87RD4OtVCCvCvICvI1vI2365552150.01FC1(a)vO2V3CCOvCvOtWOtt0t1(b)t图4用555定时器构成的单稳态触发器及工作波形 自动返回时间 当vC上升至阈值电压2Vcc时，输出电压vO由高电平跳变为低电平，3555内放电三极管T由截止转为饱和导通，管脚7“接
9、地”，电容C经放电三极管对地迅速放电，电压vC由2Vcc迅速降至0V，电路由暂稳态重新转入稳态。 恢复过程 当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的三极管 T放电，时间常数2=RCESC，式中RCES是T的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此2之值亦非常小。经过2后，电容C放电完毕，恢复过程结束。 恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可以接收新的触发信号。 2 主要参数估算 (1) 输出脉冲宽度tW 输出脉冲宽度就是暂稳态维持时间，也就是定时电容的充电时间。由图4所示电容电压vC的工作波形不难看出vC0V，vC=VCC，vC=2Vcc，代入RC过渡过程计算公式，可得 3tW=t1lnvC
10、()-vC(0)vC()-vC(tW)VCC-0VCC-=t1ln3=1.1RC23VCC+=t1ln上式说明，单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节tW。 恢复时间tre 一般取tre=2，即认为经过35倍的时间常数电容就放电完毕。 最高工作频率fmax 若输入触发信号vI是周期为T的连续脉冲时，为保证单稳态触发器能够正常工作，应满足下列条件： T tWtre 即vI周期的最小值Tmin应为tWtre，即 Tmin= tWtre 因此，单稳态触发器的最高工作频率应为 fmax=1Tmin=1tW+tre需要指出
11、的是，在图4所示电路中，输入触发信号vI的脉冲宽度，必须小于电路输出vO的脉冲宽度，否则电路将不能正常工作。因为当单稳态触发器被触发翻转到暂稳态后，如果vI端的低电平一直保持不变，那么555定时器的输出端将一直保持高电平不变。 解决这一问题的一个简单方法，就是在电路的输入端加一个RC微分电路，即当vI为宽脉冲时，让vI经RC微分电路之后再接到vI2端。不过微分电路的电阻应接到VCC，以保证在vI下降沿未到来时，vI2端为高电平。 3.3用555定时器构成的多谐振荡器 多谐振荡器产生矩形脉冲波的自激振荡器。 多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形脉冲
12、信号，因此它又称作无稳态电路，常用来做脉冲信号源。 1 电路组成及工作原理 VCCvCR1VCC8PR27RD42V3CC1VCC3VCC0tTvI1vI2365552150.01FC1(a)vOOvCCvOT1OT2t1t2tt0(b)图5 用施密特触发器构成的多谐振荡器 2振荡频率的估算 电容充电时间T1。电容充电时，时间常数1=C，起始值vC=1Vcc，终了值vC=VCC，转换值vC=2Vcc，33带入RC过渡过程计算公式进行计算： vC()-vC(0)vC()-vC(T1)VCC-=t1lnVCC-=t1ln2=0.7(R1+R2)C1323VCCVCC+T1=t1ln 电容放电时间T
13、2 电容放电时，时间常数2=R2C，起始值vC=2Vcc，终了值vC3=0，转换值vC=1Vcc，带入RC过渡过程计算公式进行计3算： T2=0.7R2C电路振荡周期T T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C 电路振荡频率f f输出波形占空比q 定义：q=T1/T，即脉冲宽度与脉冲周期之比，称为占空比。 q=T1T0.7(R1+R2)C0.7(R1+2R2)CR1+R2R1+2R2=1T1.43(R1+2R2)C=三 实验内容及实验步骤 1.利用NE555或ICM7555定时器，设计一个占空比可调的矩形波发生器电路； 2要求画出具体的电路图，能使产生的方波占空比可调，即高电平持续时间与低电平
14、持续时间的比值可调，占空比大约1095； 3利用半导体二极管的单向导电特性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器，如图6所示。 VCCR1VCC8R2D2D17RD4vI1vCC365552150.01FC1vOvI2图6 占空比可调的多谐振荡器 由于二极管的引导作用，电容C的充电时间常数1=R1C，放电时间常数2=R2C。通过与上面相同的分析计算过程可得 T1=0.7R1C T2=0.7R2C 占空比：q=T1T=T1T1+T2=0.7R1C0.7R1C+0.7R2C=R1R1+R2只要改变电位器滑动端的位置，就可以方便地调节占空比q，当R1=R2时，q=0.5，vO就成为对称的矩形波。 四、预习要求 1复习555定时器的工作原理。 2 .进一步了解占空比可调的矩形波发生器的设计方法。 五、注意事项 1ICM7555属于CMOS电路，其电源电压范围是318V。若采用NE555双极性定时器，电源电压范围将变成4.516V，功耗也会增大； 2该电路还可以用于调节数字仪表显示器亮度，有兴趣的同学可以查阅相关文献。 六、实验报告 1写出实验目的、基本原理、内容、设计过程，画出实验电路图。 2根据电路器件的具体参数，计算出占空比的可调范围。
