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1、NE555数字门铃电路的设计 专业班级: 学生姓名同组人姓名: 指导教师: 电气与信息工程学院2013年12月目 录摘要4第1章 引言51.1课题研究的背景5 1.2 门铃的发展概况5 1.3课题研究的主要内容6第2章 NE555数字门铃电路的介绍 72.1 NE555数字门铃电路的原理与组成72.2电子门铃的主要原理技术8第3章 NE555集成芯片的研究93.1 555集成芯片简介 93.2 555集成芯片引脚说明 103.3 555 芯片内部结构11 3.4 555集成芯片的特点13 3.5本章小结14第4章 多谐振荡电路的设计15 4.1 多谐振荡器简介15 4.2 NE555多谐振荡器
2、工作原理15 4.3 振荡频率的计算16 4.4 本章小结16第5章 共射级放大电路的研究17 5.1 放大电路简介175.2 放大电路的性能指标 17 5.3 共射级放大电路18 5.4 本章小结18第6章 门铃电路的焊接与调试19结束语 21参考文献22致谢23附录24摘 要门铃是一种常见而必备的物品，几乎家家户户都会用到，而到了今天，门铃的作用已经不仅仅是为了提醒主人有客人到来的消息，各式各样造型精美的门铃已经被人们当做艺术品来装饰自己家的大门。随着社会的飞速发展发展，门铃也发生了很大的改变。从最简单原始的有线有源型门铃，发展到无线门铃、数码门铃、可视门铃等一系列高级门铃。本文设计NE5
3、55数字门铃电路为最基本的有源有线电路门铃，以NE55集成芯片为核心，二极管、单组等元器件组合而成的以多谐振荡电路为设计核心，放大电路、反馈电路为辅的振荡电路。能根据震荡电路充、放电时震荡频率的不同，来改变电路中电流的大小来达到让门铃发出“叮咚”响声的功能，并能通过内部元器件的调整影响放电时间来达到门铃余音长度的改变作用。第1章 引 言1.1 课题研究的背景随着现代科学技术的发展，门铃这一常见物品也朝着更加先进的方向改进，由于不同人们对门铃不同需求，常规的门铃已经不能满足市场的需要，门铃的改进与创新也已经成为人们研究的一项课题。1.2 门铃的发展概况电子门铃的发展可以分为有源有线门铃、有源无线
4、门铃、可视门铃、无源无线门铃几个阶段。最初的门铃是有源有线型，门铃的发射器与接收器之间是依靠电线连接，发射器发出的信号是通过电线传输至接收器，因而信号比较稳定，也不会发生误响，但是布线比较麻烦，很可能需要凿墙等，因而近几年逐渐淡出市场。之后无线型门铃便占据了市场，其发射器依靠12V电池供电，接收器依靠电池供电或者接市电。门铃按钮发射无线信号，室内机的无线信号接收器接收这一无线信号，进而响铃。避免了连线的问题，使用更加便捷。基于无线门铃的设计，人们又设计了可视门铃以及无源门铃。可视门铃顾名思义，既能进行语音通话，而且能看到来访者的图像。无线可视门铃产品功能：1.可视对讲功能：有客来访，按过门铃，
5、自由对讲通话语音清晰，如在面前。无源门铃则是采用能量捕获技术的来驱动的无线门铃。该种无线门铃的发射器完全不需要电池，是依靠手按门铃按钮的能量转换为电能，驱动无线发射电路，实现无线门铃的功能。1.4 课题研究的主要内容多谐振荡器是电子门铃的主要器件，它对整个门铃电路起到决定性作用。而LM555则是多谐振荡器的核心器件。本课题在理论研究的基础上，将对电铃电路进行研究，要求门铃电路能够由开关控制发出“叮咚”的响声，声音尽量大且清晰。针对电子门铃的功能要求，本文将对以下几个方面进行研究：1. NE555芯片的研究2. 多谐振荡电路的的设计；3. 如何控制余音的长度；4. 如何实现输出功率的放大；AD
6、4.5V多谐振荡电路门铃反馈环节图1.1在上述研究基础上，设计一个简易门铃，其系统结构框图如图1.1所示，其技术指标如下：输入电压：4.5VAD等待电流：3.5mA鸣叫电流：120mA第2章 NE555数字门铃电路的介绍2.1 NE555数字门铃电路的原理与组成本电路是以NE555定时器为核心组成的“叮咚”门铃。其电路图如下。电路图中的NE555和R1、R2、R3、D2、D4、C3构成了一个多谐振荡器，S1是叮咚门铃的按钮开关，在平日，按钮开关处于断开的状态，此时D2没有导通，D4反向截止，R3接地，所以NE555的4号端口一直处于低电平，而NE555的4接口是复位端，当接入低电平时使其复位，
7、所以3号端口无输出，扬声器不响。并且C3通过R1、R2充电，充电完成后C4两端电压约等于电源电压。当S1闭合时，D2正向导通，通过R3向C4充电，C4两端电压升高，此时NE555的4号端处于高电平，无法使其复位，与此同时，C3则通过R2向NE555的7端口放电，它们以及NE555和C5构成了一个多谢振荡器。此时f=1/0.7（2R+2R2）C2约等于1386Hz（R为D2与D4的电阻和，约为300欧）。松开S1时，已经充满电的C4开始放电，R2、R3、C3和NE555构成一个多谢振荡器，此时f=1/0.7（R1+2R2）C2约等于717Hz2.2 电子门铃的主要原理技术多谐振荡器是电子门铃的重
8、要组成部分，它对整个门铃电路的运行情况起到决定性作用。而LM555则是多谐振荡器的核心器件。本文设计的电子门铃所涉及主要原理有：（1） 以NE555为基础的多谐震荡回路;（2） 多谐振荡器的震荡效果；（3） 功率放大器件对信号的放大效果；第3章 NE555集成芯片的研究 3.1 555集成芯片简介555集成电路是一个把模拟电路和数字电路组合而成的混合电路，它将模拟功能与逻辑功能整合在一片独立的集成电路上，极大的拓宽了模拟集成电路的应用范围。555被广泛用于各种各样的计时器，脉冲发生器和振荡器等场合。凭借着模数结合的优势，555可以独立构成多种功能电路，且精度非常高，能够产生精确的时间延迟和振荡
9、。时基集成电路的设计构想是在1970年由Hans R.Camenzind和Jim Ball提出的。设计原型经过测试，被移植到Monochip模拟阵列，由Wayne Foletta和Qualidyne Semiconductors的工程师们进行具体设计。事后，Signetics公司接管了他们的设计并开始投入生产，正式量产的第一批555集成电路于1971年面世。根据应用范围又把555按编号细分为两个级别：商用级的NE555，温度范围0+70和军用级的SE555，温度范围-55+125。555时基集成电路的封装分为两种形式：高可靠性的金属罐式8脚封装（T封装）和低成本的环氧塑料8脚双列直插式封装（V
10、封装）。封装号后缀在元件编号后面，因此Signetics公司生产的555按全编号分别为NE555V、NE555T、SE555V和SE555T。这些元件编号对于业余应用来说，可以不必太过深究，但是若要把元件用在重要场合，从设计的环节就需要仔细考虑了。555名称的由来，按照很多技术文章的说法，555时基集成电路的3个“5”，是源自它电路基片上的三个误差极小的5k电阻构成的基准电压电路。555的等效电路图如图1所示，从图1中可以清晰的看到R7、R8、R9这三只5k的基准电阻，以串联的方式接在电源正极与地之间。但是它的设计者Hans R.Camenzind曾明确表示，这个数字完全是随机得来的，设计者本
11、人也没有给他设计的这个电路起过名字。事实上，它只是碰巧被生产它的Signetics公司编入了它们的5-X-X系列线性器件家族中，第一个5代表Signetics公司的5系列线性器件一族，后面两个5则是顺延的元件编号。Signetics公司后来被Philips公司收购，但是Philips和之后的其他各家芯片制造商都无例外地在它们的元件编号中保留了“555”这三个数字。3.2 555集成芯片引脚说明根据各家制造商生产工艺的不同，标准的555时基集成电路在其硅芯片上包含有20个左右的晶体管、2个二极管和15个电阻。常见的555为塑封8脚双列直插式封装，这个封装的英文缩写为DIP8。555的引脚排列如下
12、图2，芯片为引脚朝下，自缺口处逆时针起为18脚。此外，555还有两个扩展型号：二合一的14脚双列直插塑封双时基集成电路556；四合一的16脚双列直插塑封四时基集成电路558。对照图1的等效电路，标准555时基集成电路的8个引脚名称见图2，各自的用途如下。1GND，电源地或低电平0V。通常被连接到电路的公共同地。2TRIG，触发555使其启动的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3VCC 。3OUT，在555被触发的时间周期里，该输出脚电平移至比电源电压少1.7V的高电平。周期结束以后，电平回复到OV左右的低电平。高电平时，该脚最大输出电流约为200mA。4RESET，
13、低电平有效的复位脚，当一个低逻辑电平送至这个脚时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。5CTRL，这个引脚准许由外部电压改变芯片的触发和闸限电压。在555的单稳态或振荡模式下,可以通过该脚来改变或调整输出频率。6THR，阈值高于2/3VCC，使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。7DIS，这个引脚和OUT引脚有着相同的低电平电流输出能力，当输出为高电平时，其对地为高阻抗；当输出为低电平时，其对地为低阻抗。8Vcc, 555的正电源电压端。标准电压范围为4.516V。注意：四时基集成电路558内部的四组DIS和THR
14、是连接工作的，它的TRIG下降沿也比555和556敏感。具体电气参数需查看对应生产商的数据手册。Signetics公司生产的标准塑封NE555，电气指标如表1所示。其他芯片制造商生产的555时基集成电路根据应用场合和各家的生产工艺，可能会有一些差异。此外还有555的低功耗CMOS版本，7555等。3.3 555集成芯片内部结构555定时器的内部电路方框图下图所示，该集成电路由四部分组成：电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、输出缓冲器和放三极管。比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2Vcc/3和Vcc/3。
15、A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过2Vcc/3时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于Vcc/3时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时充电，开关管截止。MR是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接Vcc。CO是控制电压端(5脚)，平时输出2Vcc/3作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uF的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，
16、将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。3.4 555集成芯片的特点555时基集成电路电路的特点主要体现在以下几个方面。1只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。2电源适应范围大，它的输出电平及输入触发电平，可与TTL，CMOS等逻辑电路的高、低电平匹配。也可以和模拟运算放大器、运算放大器共同组成某些功能和特性不同的模块电路。在计算机诞生的早期，NE555曾被用于苹果型和IBM计算机的输入设备。还有一个鲜为人知的故事，在20世纪70年代，555刚诞生的时候，曾被黑客用来破解早期的电信系统的长途电话交换机BLUE BOX。由此也可以看出这块小芯
17、片的威力。3输出电流大，可直接推动小喇叭、电机、继电器等多种负载。非常适合用在自动控制电路中。4计时精确度高、温度稳定度佳，价格便宜。由于555时基集成电路使用方便，价格低廉，稳定性好。自其诞生之日起，直至今日，虽然已经过了40个年头，但是这片集成电路仍然在各种场合被广泛的使用着。保守估计，全球各家芯片制造商每年制造的555集成电路大概在1亿片左右。 NE555有三种工作模式：1单稳态模式。在这种模式下，555作为“一次性”脉冲发生器使用。应用范围包括计时器、脉冲丢失检测、触摸开关、分频器、电容测量、脉冲宽度调制、速率检测等。2非稳态模式。用途包括LED和灯闪光灯，脉冲生成，逻辑时钟，安全报警
18、，脉冲位置调制等。3双稳态模式或施密特触发器模式。如果DIS脚悬空，555可作为触发器使用。用途包括比较器、锁存器、反相器、方波输出及整形等。现在网上常见的555时基集成电路是8脚塑封双列直插（见图3）或8脚贴片式NE555，价格在0.5元1.0左右，完全满足业余电子制作的要求。3.5 本章小结 本章主要介绍了555器件的产生、引脚说明、功能、特性等技术指标，为接下来以NE555为核心的多谐振荡器电路的设计打好基础。第4章 NE555多谐振荡电路的研究4.1多谐振荡器简介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。它利用深度正反馈，通过阻容耦合使两个电子器件交替导通与截
19、止，从而自激产生方波输出的振荡器。多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。4.2 NE555多谐振荡器工作原理由555定时器组成的最基本多谐振荡器如下图所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图下图所示。由于接通电源瞬间，电容来不及充电，电容器两端电压为低电平，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出为高电平，放电管截止。这时，电源对电容充电，使电压
20、按指数规律上升，当上升到一定程度时，输出为低电平，放电导通，这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间的长短与电容的充电时间有关 。由于放电管导通，电容通过电阻和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数随着电容的放电下降，当下降到一定程度时，输出为高电平，放电管截止，再次对电容充电，电路又翻转到第一暂稳态。4.3振荡频率的计算根据所设计门铃电路图，当S1闭合时，D2正向导通，通过R4向C4充电，C4两端电压升高，此时NE555的4号端处于高电平，无法使其复位，与此同时，C3则通过R2向NE555的7端口放电，它们以及NE555和C5构成了一个多谢振
21、荡器。此时f1=1/0.7（2R+2R2）C2约等于1386Hz（R为D2与D4的电阻和，约为300欧）。松开S1时，已经充满电的C4开始放电，R2、R3、C3和NE555构成一个多谢振荡器，此时f2=1/0.7（R1+2R2）C2约等于717Hz调整C3与R2即可对门铃余音的长短进行调整。4.4本章小结本章对门铃电路的核心，由NE555构成的多谐振荡电路做了详细的分析，并对门铃余音的周期调整进行了说明。第5章 共射级放大电路的研究5.1放大电路简介放大电路能够将一个微弱的交流小信号（叠加在直流工作点上），通过一个装置（核心为三极管、场效应管），得到一个波形相似（不失真），但幅值却大很多的交流
22、大信号的输出。实际的放大电路通常是由信号源、晶体三极管构成的放大器及负载组成。5.2性能指标电压放大倍数、输入电阻和输出电阻是放大电路的三个主要性能指标，分析这三个指标最常用的方法是微变等效电路法，这是一种在小信号放大条件下，将非线性的三极管放大电路等效为线性放大电路。放大倍数放大倍数又称增益，它是衡量放大电路放大能力的指标。根据需要处理的输入和输出量的不同，放大倍数有电压、电流、互阻、互导和功率放大倍数等，其中电压放大倍数应用最多。输入电阻放大电路的输入电阻是从输入端向放大电路内看进去的等效电阻，它等于放大电路输出端接实际负载电阻后，输入电压与输入电流之比，即Ri=Ui/Ii。对于信号源来说
23、，输入电阻就是它的等效负载。输入电阻的大小反映了放大电路对信号源的影响程度。输入电阻越大，放大电路从信号源汲取的电流（即输入电流）就越小，信号源内阻上的压降就越小，其实际输入电压就越接近于信号源电压，常称为恒压输入。反之，当要求恒流输入时，则必须使RiRs；若要求获得最大功率输入，则要求Ri=Rs，常称为阻抗匹配。输出电阻对负载而言，放大电路的输出端可等效为一个信号源。输出电阻越小，输出电压受负载的影响就越小，若Ro=0，则输出电压的大小将不受RL的大小影响，称为恒压输出。当RLRo时即可得到恒流输出。因此，输出电阻的大小反映了放大电路带负载能力的大小。5.3共射级放大电路共射电路是放大电路中
24、应用最广泛的三极管接法，信号由三极管基极和发射极输入，从集电极和发射极输出。因为发射极为共同接地端，故命名共射极放大电路。共射级放大电路的特点：1、输入信号和输出信号反相；2、有较大的电流和电压增益；3、一般用作放大电路的中间级。4、共射极放大器的集电极跟零电位点之间是输出端,接负载电阻.在之前的课程学习中，已经学习了放大电路的各项指标，应复习所学知识，务必掌握三极管的结构、三极管各极电流关系、特性曲线、放大条件，以及静态工作点的确定等知识。5.4本章小结本章对于共射级放大电路有了一个初步的简介，它作用于电子门铃的输出极，以增大喇叭的声音。第6章 电路的焊接与调试6.1门铃的原理图待添加的隐藏
25、文字内容16.2元器件的选择依据原理图选择合适的电路板与元器件电子元器件功能规格电阻限流、分压47K电容通高频阻低频103,104,10uF二极管整流IN4181三极管电流放大9013扬声器发出叮咚生集成芯片组成震荡回路NE555PCB板连接电路35x65mm实际元器件如下图所示6.3焊接及调试工具：35V烙铁、焊锡、松香、螺丝刀、钳子按照原理图在电路板上进行焊接元件，调试完毕后通电，直到发出叮咚的门铃声后停止操作。结束语模电课程设计已经告一段落，通过这一次的课题设计使我们学到了很多，同时也遇到了许多的困难。本次设计让我们深深体会到了自己对基础知识掌握的不足，在课题研究过程中，大家通过一起讨论
26、研究，对遇到的难题查阅资料共同解决，弥补了我们在学习中知识掌握的空缺，加深了对一些电路的理解，为接下来深入学习高端电学知识打下了深厚的基础。同时，次次设计也使我们意识到团队合作的重要性，大家是一个互补的团体，对于遇到的困难，只要齐心协力，一起钻研就没有什么困难是不能解决的。参考文献 （1）模拟电子技术基础，主编 童诗白 华成英 高等教育出版社 （2）模拟电子技术试验 主编 张正苏 张继东 徐泽清（3）电路 第五版，原著 邱关源 修订 罗先觉 高等教育出版社 （4）网络资源致谢在模电学习的这一学期，张老师严谨的教学态度使我对模电的学习更加容易，老师深入浅出的教学轻易地将我难以解决的难题破解，让我少走了许多弯路。老师在授课过程中还不时以自己的观点浅谈对生活的感悟，这对我的成长以及阅历有了极大的帮助，张老师不仅是我学业上的老师，更是我人生道路上的导师，谨以此文对老师致以最真诚的感谢。 在此次设计过程中，我们深深体会到了实践能力的不足，总是眼高手低，无法把书本上学到的知识应用到实践中去，感谢老师给了我们这一次实践的机会，让我们意识到了自己的不足，锻炼了动手能力，将理论实践相结合，并且体会到了团队合作的重要性并且获得了深厚的友谊。附录电路原理图焊接前焊接后
