第十六章 數(shù)字電路的應用 16.1-集成555定時器及其應用教學講義 -2023-2024學年高一下學期中職物理高教版·第3版《電工電子技術與技能》

第第頁第十六章數(shù)字電路的應用16.1?集成555定時器及其應用教學講義-2023-2024學年高一下學期（中職）物理（高教版·第3版）《電工電子技術與技能》16數(shù)字電路的應用

【課題】

16.1集成555定時器及其應用

【教學目標】

知道555定時器的工作特點及用于脈沖波形的產生與變換的原理。

【教學重點】

1．集成555定時器。

2．單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

3．施密特觸發(fā)器。

【教學難點】

1．電容器充、放電規(guī)律。

2．截止和導通的概念。

【教學過程】

【一、復習】

1．電容器的充、放電規(guī)律。

2．截止和導通的概念。

【二、引入新課】

集成555定時器是一種數(shù)字與模擬混合、中規(guī)模集成電路。利用它的“導通”和“截止”特性，可以方便地組成各種功能電路。

【三、講授新課】

16.1.1集成555定時器

圖16.1為555定時器的外引腳排列圖，其各引腳名稱如表16.1所示。

表16.1555定時器的外引腳

引腳名稱引腳名稱

1接地端（USS）5電壓控制端（CO）

2觸發(fā)端（UTR）6閾值端（UTH）

3輸出端（uo）7放電端（D）

4復位端（）8電源端（UDD）

圖16.1集成555定時器引腳排列圖

表16.2為555定時器的邏輯功能表。表中“×”表示任意情況，“保持”表示555定時器保持原來的狀態(tài)，“導通”和“截止”指555定時器內晶體管VT的工作狀態(tài)。VT的集電極和發(fā)射極分別接在7腳和1腳間。

表16.2555定時器的邏輯功能表

UTHUTRuOD

××00導通

＞＞10導通

＜＞1保持保持

×＜11截止

復位端=0時，不論UTH、UTR取什么值，則定時器輸出為0，VT飽和導通。

當=1時，若UTH＞,UTR＞,則定時器輸出為0，VT管飽和導通。

當=1時，若UTR＜,則定時器輸出為1，VT管截止。

當=1時，若UTH＜,UTR＞,則定時器輸出和VT管也繼續(xù)保持原來狀態(tài)。

16.1.2555定時器的典型應用

1．多諧振蕩器

多諧振蕩器又稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，也不需要外加觸發(fā)信號，接通電源就能輸出一定頻率和幅度的矩形脈沖信號，由于矩形脈沖波形含有豐富的諧波，所以稱為多諧振蕩器。

圖16.2所示為555定時器組成的多諧振蕩器和它的工作波形。

（a）（b）

圖16.2555定時器組成的多揩振蕩器及工作波形

電路工作原理為：剛接通電源時，若電容C1兩端電壓uC0，555定時器的輸出uo1,晶體管VT截止，7腳和1腳間相當于開關斷開。電源通過R1、R2向C1充電，充電時間常數(shù)充（R1+R2）C1。當uC略大于時，定時器的狀態(tài)發(fā)生翻轉，輸出電壓跳變?yōu)榈碗娖?，即uo0，VT飽和導通，相當于開關閉合，電容器C1通過R2對地放電，放電時間常數(shù)放R2C1。當uC下降到略小于時，定時器的狀態(tài)再次發(fā)生翻轉，輸出電壓跳變?yōu)楦唠娖?，即uo1，VT截止，相當于開關斷開。電源再次通過R1、R2向C1充電，重復前面的過程，形成振蕩。其波形如圖16.2（b）所示。

2．單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

圖16.3是用555定時器所構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和它的工作波形。R、C為外接的定時元件，單穩(wěn)態(tài)電路有一個觸發(fā)信號輸入端。

圖16.3555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及工作波形

電路工作原理為：剛接通電源時，若電容C1兩端電壓uC0，ui1（ui>），VT飽和導通，相當于開關閉合，電路經(jīng)過一個充放電過程后穩(wěn)定下來。電源通過R向電容C充電，當uC增大到略大于時，定時器輸出低電平，放電管VT導通，電容C通過放電管VT放電，使uC0,定時器輸出低電平，電路維持這種狀態(tài)不變。

當ui下降沿到來時，因ui＜,定時器輸出跳變?yōu)楦唠娖?，放電管截止，電路進入暫穩(wěn)態(tài)，定時開始。電源通過R向C充電，充電時間常數(shù)充RC。當uC上升到略大于時，定時器輸出低電平，放電管導通，定時結束。電容C經(jīng)放電后，再回到穩(wěn)態(tài)。當下一個觸發(fā)脈沖到來時，重復上述過程。

3．施密特觸發(fā)器

圖16.4是用555定時器所構成的施密特觸發(fā)器。

若輸入信號ui如圖16.4所示，當uui>時，定時器保持原狀態(tài)不變，輸出仍為高電平；當ui>時，定時器狀態(tài)改變，輸出變?yōu)榈碗娖?。隨著ui下降，當>u時，定時器保持原狀態(tài)不變，輸出仍為低電平；當ui<時，定時器狀態(tài)改變，輸出變?yōu)楦唠娖健敵霾ㄐ稳鐖D16.4所示。

圖16.4施密特觸發(fā)器

【四、小結】

1．555定時器是一種數(shù)、?；旌霞呻娐?，其內部既有運放又有觸發(fā)器。通過外部電路的不同組合，可構成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等。

2．多諧振蕩器

（1）不需外加輸入信號。

（2）輸出信號沒有穩(wěn)定的狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。

（3）暫穩(wěn)狀態(tài)維持時間的長短主要取決于電路本身的定時元件R1、R2和C1的參數(shù)值，即T=0.7（R1+2R2）C1。

3．單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

（1）輸出信號有一個穩(wěn)定狀態(tài)和一個暫穩(wěn)狀態(tài)。

（2）在外加控制脈沖作用下，由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉為暫穩(wěn)狀態(tài)。

（3）暫穩(wěn)狀態(tài)只能維持一定的時間，之后將自動返回到穩(wěn)定狀態(tài)，維持暫穩(wěn)狀態(tài)時間的長短與外加控制脈沖無關。僅取決于電路本身的定時元件R和C的參數(shù)值，即T1.1RC。

4．施密特觸發(fā)器

（1）輸出信號是兩個穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）兩個穩(wěn)定輸出狀態(tài)的翻轉需要外加信號的觸發(fā)。

（3）兩個穩(wěn)定輸出狀態(tài)的維持需要依賴于外加信號的高、低電平。

（4）外加觸發(fā)信號由低電平上升時的轉換電平和從高電平下降時的轉換電平不同。

【五、習題】

一、是非題：1、2、3、4；二、選擇題：2、3。

【課題】

16.2數(shù)模與模數(shù)轉換器的概念

【教學目標】

知道數(shù)模與模數(shù)轉換器的概念。

【教學重點】

數(shù)模轉換器。

【教學難點】

數(shù)模轉換器。

【教學過程】

【一、復習】

1．二進制的“權”。

2．萬用表面板結構。

【二、引入新課】

數(shù)字萬用表是應用AD轉換器的典型例子。實質上，AD和DA轉換的應用遠不止這一點，而且其內容也復雜得多。

【三、講授新課】

16.2.1數(shù)模轉換器

1．數(shù)模轉換器：實現(xiàn)數(shù)字量轉換為模擬量。轉換的框圖如圖16.8所示。

圖16.8DAC示意框圖

2．工作原理：輸入的二進制數(shù)碼存入寄存器，存入寄存器的二進制數(shù)，每一位控制著一個模擬開關，模擬開關只有兩種可能的輸出：或是接地或是經(jīng)電阻接基準電壓源。它由寄存器中的二進制數(shù)控制，模擬開關的輸出送到加法網(wǎng)絡，二進制數(shù)碼的每一位都有一定的“權”，這個網(wǎng)絡把每位數(shù)碼變成它的加權電流，并把各位的權電流加起來得到總電流，總電流送入放大器，經(jīng)放大器放大后得到與之對應的模擬電壓。實現(xiàn)數(shù)字量與模擬量的轉換。

16.2.2模數(shù)轉換器

1．模數(shù)轉換器：實現(xiàn)模擬量轉換為數(shù)字量。轉換的框圖如圖16.9所示。

圖16.9ADC示意框圖

2．工作原理：輸入端輸入的模擬電壓，經(jīng)采樣、保持、量化和編碼四個過程的處理，轉換成對應的二進制數(shù)碼輸出。采樣就是利用模擬開關將連續(xù)變化的模擬量變成離散的數(shù)字量，如圖16.9中波形③所示。由于經(jīng)采樣后形成的數(shù)字量寬度較窄，經(jīng)過保持電路可將窄脈沖展寬，形成梯形波，如波形④所示。量化和編碼就是將梯形波中某一階梯電壓值轉換為相應的二進制數(shù)碼。這個過程就實現(xiàn)了模數(shù)轉換。目前集成模數(shù)轉換器種類較多，有8位也有10位模數(shù)轉換器。

工作過程：被測信號由萬用表表筆引入，通過功能選擇開關將相應的不同性質、不同類型的參數(shù)轉換為直流電壓形式。然后通過量程選擇將過大的信號適當衰減變小，將過小信號適當放大，以滿足AD轉換器對輸入信號的要求，它將輸入的直流電壓轉變成相應的二進制代碼，并經(jīng)過顯示譯碼電路譯碼變換，顯示器以十進制數(shù)碼形式將測量結果直接顯示出來。若被測信號極性