實驗二 占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器

1、實驗二占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器實驗一、 實驗?zāi)康?. 掌握NE555、ICM7555等定時器芯片的使用方法；2. 了解占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器的設(shè)計方法。二、 實驗原理1.定時器介紹 555定時器是一種多用途的單片中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器和電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。目前生產(chǎn)的定時器有雙極型和CMOS兩種類型，其型號分別有NE555（或5G555）和C7555等多種。通常，雙極型產(chǎn)品型號最后的三位數(shù)碼都是555，CMOS產(chǎn)品型號的最后四位數(shù)碼都是7555，它們的結(jié)構(gòu)、

2、工作原理以及外部引腳排列基本相同。一般雙極型定時器具有較大的驅(qū)動能力，而CMOS定時電路具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點。555定時器工作的電源電壓很寬，并可承受較大的負(fù)載電流。雙極型定時器電源電壓范圍為516V，最大負(fù)載電流可達(dá)200mA；CMOS定時器電源電壓變化范圍為318V，最大負(fù)載電流在4mA以下。圖1為555集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。其中由三個5K的電阻R1、R2和R3組成分壓器，為兩個比較器C1和C2提供參考電壓，當(dāng)控制端VM懸空時（為避免干擾VM端與地之間接一0.01F左右的電容），VA=2VCC/3，VB=VCC/3，當(dāng)控制端加電壓時VA=VM，VB=VM/2。TDC2Q¯

3、QC187654321圖1 555定時器結(jié)構(gòu)框圖+5K+-5K5KVC1VC2VOGNDQ'VMTHVCCRDTR&&1VAVB閾值觸發(fā)復(fù)位控制放電輸出 放電管TD的輸出端Q'為集電極開路輸出，其集電極最大電流可達(dá)50mA，因此具有較大的帶灌電流負(fù)載的能力。555集成電路的輸出級為推拉式結(jié)構(gòu)。是置零輸入端，若復(fù)位端加低電平或接地，不管其他輸入狀態(tài)如何，均可使它的輸出VO為“”電平。正常工作時必須使處于高電平。2功能 555定時器的功能主要是由兩個比較器C1和C2的工作狀況決定的。由圖1可知，當(dāng)V6>VA、V2>VB時，比較器C1的輸出VC1=0、比較

4、器C2的輸出VC2=1，基本RS觸發(fā)器被置0，TD導(dǎo)通，同時VO為低電平。當(dāng)V6<VA、V2>VB時，VC1=1、VC2=1，觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，因而TD和輸出的狀態(tài)也維持不變。當(dāng)V6<VA、V2<VB時，VC1=1、VC2=0，故觸發(fā)器被置1，VO為高電平，同時TD截止。這樣我們就得到了表1 555定時器的功能表。放電管狀態(tài)TD表1 555定時器的功能表輸 入<VA閾值輸入V6輸 出觸發(fā)輸入V2輸出VO復(fù)位×不變截止導(dǎo)通0001111×>VA<VA<VB>VB>VB不變導(dǎo)通3應(yīng)用3.1用555定時器構(gòu)成的施密特

5、觸發(fā)器施密特觸發(fā)器具有回差電壓特性，能將邊沿變化緩慢的電壓波形整形為邊沿陡峭的矩形脈沖。1 電路組成及工作原理圖2 555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器（1） vI =0V時，vo1輸出高電平。（2）當(dāng)vI上升到時，vo1輸出低電平。當(dāng)vI由繼續(xù)上升，vo1保持不變。（3）當(dāng)vI下降到時，電路輸出跳變?yōu)楦唠娖?。而且在vI繼續(xù)下降到0V時，電路的這種狀態(tài)不變。圖中，R、VCC2構(gòu)成另一輸出端vo2，其高電平可以通過改變VCC2進(jìn)行調(diào)節(jié)。2 電壓滯回特性和主要參數(shù)電壓滯回特性圖3 施密特觸發(fā)器的電路符號和電壓傳輸特性主要靜態(tài)參數(shù)（1） 上限閾值電壓VT+vI上升過程中，輸出電壓vO由高電平VOH跳變到低

6、電平VOL時，所對應(yīng)的輸入電壓值。VT+=。（2）下限閾值電壓VTvI下降過程中， vO由低電平VOL跳變到高電平VOH時，所對應(yīng)的輸入電壓值。VT=。（3）回差電壓VT回差電壓又叫滯回電壓，定義為VT= VT+VT =若在電壓控制端VIC（5腳）外加電壓VS，則將有VT+=VS、VT=VS/2、VT= VS/2，而且當(dāng)改變VS時，它們的值也隨之改變。3.2 用555定時器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有下列特點：第一，它有一個穩(wěn)定狀態(tài)和一個暫穩(wěn)狀態(tài)；第二，在外來觸發(fā)脈沖作用下，能夠由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)狀態(tài)；第三，暫穩(wěn)狀態(tài)維持一段時間后，將自動返回到穩(wěn)定狀態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時間的長短，與觸發(fā)脈沖無關(guān)，僅決

7、定于電路本身的參數(shù)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字系統(tǒng)和裝置中，一般用于定時（產(chǎn)生一定寬度的脈沖）、整形（把不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換成等寬、等幅的脈沖）以及延時（將輸入信號延遲一定的時間之后輸出）等。1電路組成及工作原理（1）無觸發(fā)信號輸入時電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)電路無觸發(fā)信號時，vI保持高電平，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，即輸出端vO保持低電平，555內(nèi)放電三極管T飽和導(dǎo)通，管腳7“接地”，電容電壓vC為0V。（2）vI下降沿觸發(fā)當(dāng)vI下降沿到達(dá)時，555觸發(fā)輸入端（2腳）由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，電路被觸發(fā)，vO由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑娐酚煞€(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)的維持時間在暫穩(wěn)態(tài)期間，555內(nèi)放電三極管T截止，VCC

8、經(jīng)R向C充電。其充電回路為VCCRC地，時間常數(shù)1=RC，電容電壓vC由0V開始增大，在電容電壓vC上升到閾值電壓之前，電路將保持暫穩(wěn)態(tài)不變。圖4用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及工作波形（4）自動返回（暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束）時間當(dāng)vC上升至閾值電壓時，輸出電壓vO由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑?55內(nèi)放電三極管T由截止轉(zhuǎn)為飽和導(dǎo)通，管腳7“接地”，電容C經(jīng)放電三極管對地迅速放電，電壓vC由迅速降至0V（放電三極管的飽和壓降），電路由暫穩(wěn)態(tài)重新轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。（5）恢復(fù)過程當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，電容C通過飽和導(dǎo)通的三極管 T放電，時間常數(shù)2=RCESC，式中RCES是T的飽和導(dǎo)通電阻，其阻值非常小，因此2之值亦非常小。經(jīng)過

9、（35）2后，電容C放電完畢，恢復(fù)過程結(jié)束。恢復(fù)過程結(jié)束后，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又可以接收新的觸發(fā)信號。2 主要參數(shù)估算(1) 輸出脈沖寬度tW輸出脈沖寬度就是暫穩(wěn)態(tài)維持時間，也就是定時電容的充電時間。由圖4（b）所示電容電壓vC的工作波形不難看出vC（0+）0V，vC（）=VCC，vC（tW）=，代入RC過渡過程計算公式，可得 上式說明，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tW僅決定于定時元件R、C的取值，與輸入觸發(fā)信號和電源電壓無關(guān)，調(diào)節(jié)R、C的取值，即可方便的調(diào)節(jié)tW。（2）恢復(fù)時間tre一般取tre=（35）2，即認(rèn)為經(jīng)過35倍的時間常數(shù)電容就放電完畢。（3）最高工作頻率fmax若輸入

10、觸發(fā)信號vI是周期為T的連續(xù)脈沖時，為保證單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠正常工作，應(yīng)滿足下列條件： T > tWtre即vI周期的最小值Tmin應(yīng)為tWtre，即 Tmin= tWtre因此，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的最高工作頻率應(yīng)為 需要指出的是，在圖4所示電路中，輸入觸發(fā)信號vI的脈沖寬度（低電平的保持時間），必須小于電路輸出vO的脈沖寬度（暫穩(wěn)態(tài)維持時間tW），否則電路將不能正常工作。因為當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)后，如果vI端的低電平一直保持不變，那么555定時器的輸出端將一直保持高電平不變。解決這一問題的一個簡單方法，就是在電路的輸入端加一個RC微分電路，即當(dāng)vI為寬脈沖時，讓vI經(jīng)RC微分電路之

11、后再接到vI2端。不過微分電路的電阻應(yīng)接到VCC，以保證在vI下降沿未到來時，vI2端為高電平。3.3用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器多諧振蕩器產(chǎn)生矩形脈沖波的自激振蕩器。多諧振蕩器一旦起振之后，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，它們做交替變化，輸出連續(xù)的矩形脈沖信號，因此它又稱作無穩(wěn)態(tài)電路，常用來做脈沖信號源。1 電路組成及工作原理圖5 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器2振蕩頻率的估算（1）電容充電時間T1。電容充電時，時間常數(shù)1=（R1+R2）C，起始值vC（0+）=，終了值vC（）=VCC，轉(zhuǎn)換值vC（T1）=，帶入RC過渡過程計算公式進(jìn)行計算：（2） 電容放電時間T2電容放電時，時間常數(shù)2=R

12、2C，起始值vC（0+）=，終了值vC（）=0，轉(zhuǎn)換值vC（T2）=，帶入RC過渡過程計算公式進(jìn)行計算：（3）電路振蕩周期TT=T1+T2=0.7(R1+2R2)C（4）電路振蕩頻率f （5）輸出波形占空比q定義：q=T1/T，即脈沖寬度與脈沖周期之比，稱為占空比。 三 實驗內(nèi)容及實驗步驟1.利用NE555或ICM7555定時器，設(shè)計一個占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器電路；2要求畫出具體的電路圖，能使產(chǎn)生的方波占空比可調(diào)，即高電平持續(xù)時間與低電平持續(xù)時間的比值可調(diào)，占空比大約1095；3（圖6僅作參考）利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦裕央娙軨充電和放電回路隔離開來，再加上一個電位器，便可構(gòu)成占空比可調(diào)的多諧振蕩器，如圖6所示。圖6 占空比可調(diào)的多諧振蕩器由于二極管的引導(dǎo)作用，電容C的充電時間常數(shù)1=R1C，放電時間常數(shù)2=R2C。通過與上面相同的分析計算過程可得 T1=0.7R1C T2=0.7R2C占空比：只要改變電位器滑動端的位置，就可以方便地調(diào)節(jié)占空比q，當(dāng)R1=R2時，q=0.5，vO就成為對稱的矩形波。四、預(yù)習(xí)要求 1復(fù)習(xí)555定時器的工作原理。