基于555定時器的脈寬調制電路

1、 14 / 14桂林電子科技大學課程設計（論文）報告用紙引言 方波是一種非正弦曲線的波形，通常會于電子和訊號處理時出現(xiàn)。理想方波只有“高”和“低”這兩個值。電流的波形為矩形的電流即為方波電流。因為方波可以快速從一個值轉至另一個(即01或10)，所以方波就用作時鐘訊號來準確地觸發(fā)同步電路，此外方波信號在電子技術上具有較大應用，通過設計一個方波脈寬調制電路對研究方波產生的原理，加深方波基本參數(shù)的理解具有重大意義。1 設計任務及要求 1.1 設計任務利用電路分析基礎、模擬電路、數(shù)字邏輯等專業(yè)基礎課程所學知識，設計一個脈寬調制電路。1.2 設計要求電路輸出矩形波；（1）輸出頻率范圍：100Hz-5KH

2、z；（2）脈沖寬度可調范圍：1%-99%；間隔：1%；（3）輸出幅度：1-5V。1.3 電路特點由于電路要求不高，功能簡單，設計的電路在滿足設計要求的條件下具有結構簡單，性能可靠，經(jīng)濟實用等特點。2 電路功能介紹及設計方案論證2.1 電路功能介紹根據(jù)設計任務及要求，電路主要功能為產生一個可以調節(jié)幅度、頻率、占空比，輸出穩(wěn)定的方波信號，并且在調節(jié)方波的幅度、頻率、占空比等參數(shù)時，不改變其他參數(shù)。2.2 電路工作原理獲取矩形脈沖波形的途徑一般有兩種：一種利用各種形式的多諧振蕩器電路直接產生所需要的矩形脈沖，另一種通過各種整形電路將已有的周期性變化波形變換為符合要求的矩形脈沖。根據(jù)設計任務及要求，采

3、用第二種途徑獲取幅度、頻率、占空比均可調的矩形脈沖波。電路主要由多諧振蕩器、微分電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器三部分組成，電路利用多諧振蕩器產生頻率可調的矩形脈沖，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對產生的矩形脈進行整形，調節(jié)占空比。由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器要求輸入脈沖寬度小于輸出脈沖寬度，故在多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器之間加入微分電路，使多諧振蕩器產生的脈沖寬度變窄。2.3 總體設計方案及論證2.3.1 總體設計方案由前文分析電路工作原理可知，電路主要由多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、微分電路三部分組成。由數(shù)字邏輯課程所學知識知，有多種方法組成多諧振蕩器或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，考慮到電路的可靠性及成本因素，設計的電路主要使用555定時器與外加元

4、件接成多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，通過理論計算設置外加元件的電阻值、電容值，以滿足設計要求，調節(jié)外接于555定時器的電阻來實現(xiàn)矩形脈沖的頻率及占空比。同時在構成的多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器之間加上合適的微分電路，以滿足單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作條件。在輸出端采用串聯(lián)方式外接電阻箱，通過改變電阻箱阻值實現(xiàn)調節(jié)輸出方波的幅度。2.3.2 設計方案論證（1）555定時器555定時器是一種多用途的數(shù)字模擬混合集成電路，利用555定時器能方便地構成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。555定時器成本低廉，性能可靠，在構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器時僅需外接少量電阻、電容，電路結構簡單，方便制作。由于555定時器使

5、用靈活、方便，其在測量與控制、家用電器等許多領域得到廣泛應用，屬于常用芯片，方便獲得。（2）用555定時器接成的多諧振蕩器由圖1所示，555定時器和外接元件R1、R2、C構成了多諧振蕩器，555觸發(fā)器的2腳與6腳直接相連，電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)。電源通過R1、R2向C充電以及C通過R2向放電端C1放電，電路產生振蕩。電容C在1/3VCC到2/3VCC之間充電和放電，其波形如圖2所示。輸出信號的時間參數(shù)與外接的元件有關，如式（2. 1）、（2. 2）、（2. 3）所示 T=tw1+tw2 (2.1)tw1=0.7R1+R2C (2.2) tw2=0.7R2C (2.3)圖1 多諧振蕩器原

6、理圖圖2 多諧振蕩器波形圖由式（2. 1）、（2.2）、（2.3）知，可通過改變電阻R1、R2的阻值改變矩形脈沖的周期。（3）用555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖3所示為由555定時器和外接元件R、C構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，穩(wěn)態(tài)時555電路輸入端出院電源點評，內部放電開關管T導通，輸出端輸出為低電平，當有一個外部負脈沖觸發(fā)信號輸入，并使2腳點位瞬時低于1/3VCC時，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路開始一個暫緩過程，電容C開始充電，VC按指數(shù)規(guī)律增長。VC充電到2/3VCC是，高電平比較器動作，輸出電壓從高電平返回低電平，放電開關管T重新導通，電容很快經(jīng)放電開關管放電，暫態(tài)結束，恢復穩(wěn)態(tài)。圖3 單穩(wěn)態(tài)

7、觸發(fā)器原理圖暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間tw由外接元件R、C的值決定，得到式（2. 4）。 tw=1.1RC (2.4)由式（2. 4）知，通過調節(jié)外接元件R、C可調節(jié)輸出信號的暫態(tài)持續(xù)時間，從而達到調節(jié)輸出信號占空比的目的。但單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器要求輸入脈沖寬度一定要小于tw，故在前級輸出端與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器之間需要接入微分電路。綜上，電路通過由555定時器及外加元件組成多諧振蕩器產生頻率可調的矩形脈沖，將多諧振蕩器產生的矩形脈沖經(jīng)微分電路后輸入到由555定時器及外加元件組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器上，可實現(xiàn)對輸出矩形脈沖的占空比調節(jié)。電路由多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩部分構成，分別完成對矩形脈沖信號頻率、占空比的調節(jié)，且相互

8、之間不產生較大影響，滿足設計要求，該方案具有可行性。3 電路設計及制作3.1 電路組成部分如圖4所示，電路由多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、微分電路三部分組成，以下將分別分析組成電路的三部分。圖4 電路原理圖3.1.1 多諧振蕩器多諧振蕩器的實際連接如圖5所示，根據(jù)式（2.1）、（2.2）、（2.3）知在選定電容C1的值后，可通過改變R1或R2的大小來改變矩形脈沖頻率。根據(jù)設計要求，要求輸出的矩形脈沖信號周期T的范圍為0.2ms<T<10ms，為方便獲取元件，選擇C1的值為0.1µF，通過式（2.1）、（2.2）、（2.3）計算得，要滿足設計要求，可令R1=2.85K,R2=0

9、70K或令R1=0 140K,R2=1.43K。考慮到占空比P為P=tw1T=R1+R2R1+2R2=R1R2+1R1R2+2 (3.1)若令R1=2.85K,R2=070K，在通過調節(jié)R2阻值大小來實現(xiàn)對輸出矩形脈沖信號的頻率進行調節(jié)時，輸出的矩形脈沖信號占空比變化較大，不利于后一級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對占空比的調節(jié)，故在實際電路中令R1=0 140K,R2=1.43K，同時由于電阻值一般為離散的，在選用元件時R1選用0200 K變阻器, R2選用1.1 K電阻。圖5 電路中的多諧振蕩器3.1.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的實際連接如圖6所示，根據(jù)式（2.4）知在選定電容C的值后，可通過改變R的大小

10、來改變矩形脈沖的占空比。根據(jù)設計要求，要求輸出的矩形脈沖信號占空比調節(jié)范圍為199，在多諧振蕩器輸出矩形脈沖信號頻率最大，即T=0.2ms時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬tw 的范圍為0.002ms<tw<0.198ms；同理，在多諧振蕩器輸出矩形脈沖信號頻率最大，即T=10ms時，tw 的范圍為0.1ms<tw<9.9ms。根據(jù)式（2.4）理論計算，在選定外接電容C的值后（C=0.1µF），R的取值范圍為1890K，在實際電路中使用一個小電阻與一個調節(jié)范圍為0100 K的電阻串聯(lián)來代替電阻R。圖6 電路中的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3.1.3 微分電路由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器要求輸入的

11、觸發(fā)信號一定要小于輸出矩形脈沖的寬度tw，因此在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器之間接入微分電路，如圖7所示，微分電路對多諧振蕩器的輸出脈沖進行處理，將其脈沖寬度變窄，以滿足單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作條件。圖7 電路中的微分電路3.2 電路仿真測試完成電路設計及理論計算后需要在電路仿真軟件上進行仿真測試，以檢驗電路各部分結構是否按要求進行工作，同時驗證電路功能是否能實現(xiàn)。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。在制作PCB之前利用該軟件進行電路仿

12、真測試，仿真測試電路如圖8所示。圖8 仿真電路完成仿真測試電路的連接后，分別調節(jié)變阻器R1、RP2的阻值，改變矩形脈沖信號的頻率和占空比，同時使用示波器觀察多諧振蕩器、微分電路和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出波形，其中示波器1（XSC1）的A通道接電路輸出端，觀察電路產生的矩形脈沖，B通道接多諧振蕩器的輸出端，示波器2的A通道接微分電路輸出端，觀察多諧振蕩器輸出的矩形脈沖信號經(jīng)微分電路后的變化情況。通過仿真測試發(fā)現(xiàn)，調節(jié)變阻器R1、RP2的阻值可分別改變矩形脈沖的頻率和占空比，調節(jié)R1可調整矩形脈沖的頻率，調節(jié)RP2可調整矩形脈沖的占空比，但由于軟件中變阻器阻值離散，未能完全調出兩個極限情況，但通過改變R

13、2、R4的阻值逼近發(fā)現(xiàn)該電路基本能滿足實驗設計要求，仿真測試電路示波器顯示結果如圖9所示。 （a）微分電路輸出圖形 （b）高頻率時的矩形脈沖圖形 （c）低頻率時矩形脈沖具有較小占空比 （d）低頻率時矩形脈沖具有較大占空比圖9 電路仿真結果3.3 電路原理圖的繪制設計的電路經(jīng)過電路仿真軟件的檢驗后達到設計要求，后利用Altium Designer繪制電路原理圖，利用Altium Designer常用元件庫中所帶器件繪制的電路原理圖如圖4所示，在完成原理圖的繪制工作后進行檢查，確保電路連接無誤后進行電路PCB圖的繪制。選擇電路所需元件封裝后生成PCB圖，完成元器件布局、布線規(guī)則、導線寬度、導線寬度

14、、焊盤大小等設置后使用Altium Designer軟件的自動布線功能對各元件進行連接，最終完成PCB圖的繪制，如圖10所示。圖10 電路PCB圖4 電路調試及結果4.1 電路調試步驟及數(shù)據(jù)記錄（1）電路接入5V直流穩(wěn)壓電源，電路輸出端接示波器，觀察波形是否正確。（2）調節(jié)滑動變阻器RP1，使電路輸出的矩形脈沖信號頻率達到最低，盡量接近100Hz，用萬用表測變阻器RP1的阻值，同時通過示波器觀察此時矩形脈沖的頻率，記錄數(shù)據(jù)。（3）調節(jié)滑動變阻器RP2，使電路輸出的矩形脈沖信號占空比達到最小和最大，用滑動萬用表測變阻器RP2的阻值，使用示波器測量矩形脈沖信號占空比的大小，記錄以上數(shù)據(jù)。（4）調節(jié)

15、滑動變阻器RP1，使電路輸出的矩形脈沖信號頻率達到最高，重復（1）、（2）中的步驟。（5）完成測試后將所測數(shù)據(jù)同理論值相比較，尋找相差原因。4.2 電路調試遇到問題及解決方法（1）在調節(jié)輸出矩形脈沖頻率及占空比時兩者出現(xiàn)相互影響。在調試電路時，調節(jié)輸出矩形脈沖頻率及占空比時兩者出現(xiàn)相互影響的情況：如在要求輸出矩形脈沖為高頻率較時，調節(jié)波形占空比時會影響輸出頻率，高占空比時頻率低。經(jīng)分析，由于電路最后輸出波形為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出波形，在調節(jié)占空比時變阻器的阻值過大會導致單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形的暫態(tài)時間tw過大，大于多諧振蕩器輸出矩形脈沖的周期時，最終出現(xiàn)調節(jié)輸出矩形脈沖頻率及占空比時兩者出現(xiàn)相互影

16、響的現(xiàn)象。為解決以上問題，在調試電路時需要實時測量兩個滑動變阻器RP1、RP2的阻值，同時在測量輸出波形時使用示波器B通道測量多諧振蕩器的輸出波形，便于調節(jié)。（2）矩形脈沖在低頻率輸出時有毛刺，在高頻率輸出時波形失真。電路在低頻率輸出時出現(xiàn)毛刺，在高頻率輸出時波形出現(xiàn)失真，為保證波形完好，需要外加波形整形電路，可在電路輸出端接入一個合適的施密特觸發(fā)器進行波形整形。4.3 電路調試結果制作好電路板后，按調試步驟進行電路板調試，記錄調試結果記錄在表1中，結果記錄如下：表1 電路調試數(shù)據(jù)記錄表最低頻率 f=357Hz最高占空比88RP1101.61KRP2102 K最低占空比4RP1101.61KR

17、P20.53K最高頻率 f=8.02KHz最高占空比92.7RP10.20KRP21.34K最低占空比2RP10.20KRP20K5 結論本次課程設計按照設計要求進行總體設計，經(jīng)方案論證確保方案可行性后使用基于555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、基于555定時器接成的多諧振蕩器以及微分電路構成電路系統(tǒng)，實現(xiàn)了脈寬信號頻率、占空比的調制功能，其中在最低頻率357Hz下占空比可調范圍為488，在最高頻率8.02KHz下占空比可調范圍為292.7，基本滿足設計要求。謝 辭本次課程設計得以完成，要感謝指導老師黃喜軍，在進行課程設計期間，黃老師悉心指導，黃老師在電路設計、方案論證等關鍵階段給予了很大關注，保證了課程設計方向的正確，在調試電路遇到問題時，老師給予了極大幫助，提供了多種解決問題的思路，培養(yǎng)了學生獨立思考的能力，同時鍛煉了學生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題的能力。參考文獻1 康華光.電子技術基礎模擬部分M.北京：高等教育出版社，2006：5862.2 康華光.電子技術基礎模擬部分M.北京：高等教育出版社，2006：462