占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器

1、占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器實驗一、二、 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 CMO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, CMO產(chǎn)品型號的最 后四位數(shù)碼都是 755

2、5，它們的結(jié)構(gòu)、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CMO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5 16V,最大負(fù)載電流可達(dá)200mA CMO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5KQ的電阻R1、 R2和R3組成分壓器，為兩個比較器Ci和G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 0.01卩F左右的電容），VA=2VCC/3 VB二VCC/3 當(dāng)控制端加電壓時 V=V, Vf

3、V/2圖1555定時器結(jié)構(gòu)框圖放電管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)。Rd是置零輸入端，若復(fù)位端Rd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 V0為“0”電平。正常工作時必須使Rd 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)V6VA V2VB寸，比較器C1的輸出VC1=0比 較器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)V6VB寸，VC1 = 1 VC2=1觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，因

4、而TD和輸出的狀態(tài)也維持不變。當(dāng)V6VA V2VB時，VC1 = 1 VC2=Q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。表1555定時器的功能表輸入輸岀閾值輸入V6觸發(fā)輸入V2復(fù)位Rd輸出Vo放電管狀態(tài)TDXX00導(dǎo)通VAVAVB10導(dǎo)通VB1不變不變3. 應(yīng)用3.1用555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器一一具有回差電壓特性，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VicVl1ViVI2Vcc8VCC247RDO2vlVO1 I55532VO11(a)電路圖(b)波形圖圖2 555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)

5、器(1) Vi =0V時，Vo1輸出高電平。(2) 當(dāng)Vi 上升到-Vcc時，Vo1輸出低電平。當(dāng)Vi由-Vcc繼續(xù)上升，33Vo1保持不變。(3)當(dāng)Vi下降到1Vcc時，電路輸出跳變?yōu)楦唠娖?。而且?Vi繼續(xù)3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 V：C2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vi(a)電路符號施密特觸發(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跳變到低電平 匕時，所對應(yīng)的輸入電壓值。VT+=?Vcc。3(2)下限閾值電壓VT Vi下降過程中，V

6、。由低電平Vol跳變到高電平匕時所對應(yīng)的輸入電壓值。V-=如。(3)回差電壓 Vt回差電壓又叫滯回電壓，定義為 Vt= Vt+ Vt = Ice3若在電壓控制端 Vc (5腳)外加電壓Vs,則將有VT+二M、W=Vs/2、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

7、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?平，電路被觸發(fā)，V。由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，電路由穩(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經(jīng)R向C充電。其 充電回路為VCFH3地，時間常數(shù)t i=RC電容電壓vc由

8、0V開始 增大，在電容電壓Vc上升到閾值電壓？Vcc之前，電路將保持暫穩(wěn)態(tài)不3變。V|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？Vcc時，輸出電壓VO由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑?555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2vcc迅速降至0V （放電三極管的3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)T 2二RCeSC,式中RCes是T的飽和導(dǎo)通電阻，其阻值非常小，因此 T 2 之值亦非常小。經(jīng)過（35） T 2后

9、，電容C放電完畢，恢復(fù)過程結(jié) 束?；謴?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 （0OV, Vcg=VCC, VC (tw) =|Vcc 代入RC過渡過程計算公式可得wIn Vc (: ) . .Vc (0)Vc (: ：) _Vc (tw )二 1 In 3.1.1R C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)two(2) 恢

10、復(fù)時間tre一般取tre二(3 5) T 2,即認(rèn)為經(jīng)過3 5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 t w+ t re即Vi周期的最小值Tmin應(yīng)為t w+ t re，即t W/+ t re因此，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的最高工作頻率應(yīng)為 11max Tmintw tre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V。的脈沖寬度(暫穩(wěn)態(tài)維 持時間tv)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

11、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 端為咼電平。3.3用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器多諧振蕩器一一產(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。VecVcc RdviiVI20.01 門 CiVO1電路組成及工作原理847365552(a)15圖5用施密特觸發(fā)器

12、構(gòu)成的多諧振蕩器2振蕩頻率的估算(1)電容充電時間電容充電時，時間常數(shù) t 1= (R+R) C,起始值 Vc (0+)=丄Vcc，終了值 Vc () =VCc,轉(zhuǎn)換值 Vc (T1) =cc , 33帶入RC過渡過程計算公式進(jìn)行計算：T1 =.vc (： ：) -vc (0)11nVcCJ -Vc (T1)1VCCVCC=T1ln312VCC 3Vcc311n 2=0.7(冃R2)C(2)電容放電時間T2電容放電時，時間常數(shù)t 2二RC,起始值Vc (0+) =-vcc，終了值Vc3(X)=0,轉(zhuǎn)換值Vc ( TO =lvcc，帶入RC過渡過程計算公式進(jìn)行計3T 2 =0.7只2。(3)電路

13、振蕩周期TT=Ti+T2=0.7( R+2R) C(4) 電路振蕩頻率ff 丄 1.43T (Ri 2R2)C(5) 輸出波形占空比q定義：q=Ti/T，即脈沖寬度與脈沖周期之比，稱為占空比。Ti0.7(R1 R2)C0.7( Ri 2R2)C_ R1R2R1 2R2三 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10%95%;3. （圖6僅作參考）利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦?，把電容C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。R111IVcc,Rd8VCCD2R2 IDiV|2VcC72Vo5550.01 叮-C1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)t 1二RC,放電時間常數(shù)t 2二RC。通過與上面相同的分析計算過程可得T=0.7RC占空比：-T1叮1T2 7R0C7第rL R1R1R2只要改變電位器滑動T2=0.7 RC端的位置，就可以方便地調(diào)節(jié)占空比q,當(dāng)R=R時，q=0.5 ,V。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