項目13 集成555定時器認(rèn)知及應(yīng)用電路的制作

項目十四:集成555定時器認(rèn)知及應(yīng)用電路的制作

14．1集成555定時器認(rèn)知及測試

14．2利用555型集成定時器制作單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

14．3救護(hù)車變音警笛電路的制作

14．4數(shù)顯電容計C-T轉(zhuǎn)換電路的制作

14．5由555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器項目任務(wù)：

項目目標(biāo)：制作數(shù)顯電容計的數(shù)顯電容計C-T轉(zhuǎn)換電路及多諧振蕩電路部分；項目要求：完成數(shù)顯電容計的整體調(diào)試，要求其在測量范圍內(nèi)電容測試誤差低于10%；項目提示：數(shù)顯電容計C-T轉(zhuǎn)換電路及多諧振蕩電路如圖14.1所示。數(shù)顯電容計C-T轉(zhuǎn)換電路及多諧振蕩電路如圖：圖14.1數(shù)顯電容計的數(shù)顯電容計C-T轉(zhuǎn)換電路及多諧振蕩電路14．1集成555定時器認(rèn)知及測試認(rèn)識一下各種集成555定時器實物，如圖14.2所示。

(a)單極型NE555(b)雙極型NE556圖14.2集成555定時器實物圖測試一下測試集成NE555定時器功能，測試電路如圖14.3所示。圖14.3NE555定時器功能測試電路測試步驟:

1.按圖14.3測試電路將器件裝在面包板上，并正確連線。

2.將晶體管穩(wěn)壓電源電壓調(diào)至+5V，分別接在NE555的④腳和⑧腳，按下述測試順序觀察LED是否發(fā)光并記錄，依據(jù)發(fā)光二極管單向?qū)щ娦缘奶卣鳎舭l(fā)光二極管點亮，則相應(yīng)端口輸出為高電平，反之為低電平。測試結(jié)果分析:

1.第一種情況：將單刀雙擲開關(guān)S1、S2分別接至a和b端，由于集成555定時器②和⑥腳的對地等效電阻接近于無窮大，利用分壓公式，則ab兩點的電壓分別大于2VCC/3和VCC/3，可觀察到LED熄滅，即3腳輸出低電平；

2.第二種情況：在第一種情況下③腳輸出為低電平，此時將開關(guān)S1接地，可觀察到LED仍然保持熄滅狀態(tài)，即輸出端③腳仍輸出低電平；

3.第三種情況：將開關(guān)S2接至b端（接地），可觀察到不管開關(guān)S1接至哪端，即⑥腳不管接什么電壓，LED均發(fā)光，即③腳均輸出高電平。

4.第四種情況：在第三種情況下③腳輸出為高電平，此時將開關(guān)S1接地，S2接至b端，可觀察到LED仍然保持發(fā)光狀態(tài)，即輸出端③腳仍輸出高電平。從上述測試中，可看出一方面集成定時器NE555具有與觸發(fā)器類似的特征，而這種輸入輸出特性又與②和⑥腳的輸入電壓的大小有關(guān)。一、555定時器介紹

集成555定時器是美國Signetics公司1972年研制的用于取代機(jī)械式定時器的中規(guī)模集成電路。目前，流行的產(chǎn)品主要有4個：BJT兩個：555，556（即含有兩個555）；CMOS兩個：7555，7556（含有兩個7555）。555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。555定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。

555定時器的產(chǎn)品有雙極型TTL和單極型CMOS兩種類型。二、555定時器的結(jié)構(gòu)和工作原理

555定時器是把模擬電路和數(shù)字電路結(jié)合在一起的器件。555定時器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖14.4所示。它由兩個電壓比較器A1和A2、一個由“與非”門組成的基本RS觸發(fā)器F、一個集電極開路的放電晶體管V以及三個5kΩ電阻串聯(lián)組成的分壓器構(gòu)成。比較器A1的參考電壓為2VCC/3，加在同相端；A2引的參考電壓為VCC/3，加在反相輸入端，兩者均由分壓器取得。圖14.4555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成

集成555定時器NE555的引腳排列及功能，如圖14.5所示。圖14.5集成555定時器的引腳排列及功能

555定時器NE55各引腳的功能如下：①腳GND為接地端。②腳為低電平觸發(fā)端，也稱為觸發(fā)輸入端，由此輸入觸發(fā)脈沖。③腳OUT為輸出端，輸出電流可達(dá)200mA，因此可直接驅(qū)動繼電器、發(fā)光二極管、揚聲器、指示燈等。輸出高電壓約低于電源電壓1～3V。

④腳為復(fù)位端，當(dāng)為0時，基本RS觸發(fā)器直接置0，使Q=0，Q=1。⑦腳D為放電端?；綬S觸發(fā)器Q=1時，放電晶體管導(dǎo)通，外接電容元件通過VT放電。555定時器在使用中大多與電容的充放電有關(guān)，為了使充放電能夠反復(fù)進(jìn)行，電路特別設(shè)計了一個放點端D。⑧腳＋VCC為電源端?？梢栽?.5～16V范圍內(nèi)使用，若為CMOS電路，則VDD為3～18V。

⑤腳CO為電壓控制端，如果在CO端另加控制電壓，則可改變A1和A2的參考電壓。工作中不使用CO端時，一般都通過一個0.01uF的電容接地，以旁路高頻干擾。在控制電壓輸入端⑤腳懸空，外接0.01μF電容到①腳時，高觸發(fā)端的參考電壓為UTH＝2VCC/3，低觸發(fā)端的參考電壓為UTL＝VCC/3。如果控制電壓輸入端⑤腳外接固定電壓UC-V或接一電阻時，則UTH＝UC-V，UTL＝UC-V/2。14．2利用555型集成定時器制作單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

圖14.6是用555定時器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路。當(dāng)輸入電壓ui＜VCC/3時，③腳由低電平0躍變?yōu)楦唠娖?，此時電源通過電阻R向電容C充電，電容C的電壓uC由0V開始上升，當(dāng)uC＞2VCC/3時，③腳由高電平1翻轉(zhuǎn)為低電平0，此時電容C通過555定時器內(nèi)的放電管VT迅速放電。因電容C未接在低電平觸發(fā)端上，故電容C的放電對觸發(fā)器的狀態(tài)無影響。圖14.6NE555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路測試步驟：（1）按圖14.6接好測試電路。檢查無誤后接入直流電源電壓5V，將開關(guān)S1接至UTH（2VCC/3），③腳LED應(yīng)不亮。（2）按下單次脈沖開關(guān)S1，即在②腳輸入一個低電平。（3）觀察從單次脈沖開關(guān)按下后，LED由亮到滅的時間。（4）將電容器的電容量改變?yōu)?.7μF，按下單次脈沖開關(guān)，觀察LED由亮到滅的時間有何變化。測試結(jié)果分析：由剛才測試可觀察到，當(dāng)改變電容C1的大小時，LED的點亮?xí)r間時間是不一樣的，且C1越小，則LED亮的時間越短，讓我們學(xué)習(xí)一下什么是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特性、工作原理及應(yīng)用。一、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路工作原理

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中一般用于定時、整形以及延時等，其邏輯符號如圖14.7(b)所示。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有系列特點：（1）電路有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。（2）在外來觸發(fā)脈沖作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長久保持的狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間與觸發(fā)脈沖無關(guān)，僅取決于電路本身的參數(shù)。(a)波形圖(b)邏輯符號圖14.7555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用很廣。還可以作脈沖整形、延時和定時用。

二、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用舉例

1.延時

延時電路一般用兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成，如圖14.8所示。t1時刻在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器[1]的輸入端加入一個負(fù)脈沖ui，經(jīng)tp1暫態(tài)后，uo1在t2時刻得到一個下降沿，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器[2]。uo1的脈寬由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器[1]決定，uo的脈寬由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器[2]決定。圖14.8555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作延時用uiuiuo1OOtttO延時tp1tp1uo[1][2]uouo1tp2t1t2

2.定時

利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能產(chǎn)生時間基準(zhǔn)信號（簡稱定時信號），用來控制電路在規(guī)定的時間性內(nèi)動作，達(dá)到定時控制的目的。例如，圖14.9所示電路中，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生寬度為1s的定時脈沖uA，用該定進(jìn)脈沖來控制與門的開放時間，uB為矩形脈沖信號，uo即為1s內(nèi)通過的脈沖個數(shù)，經(jīng)計數(shù)、譯碼和顯示電路，就可直接讀出uB的頻率，這也是數(shù)顯電容計C（電容量）-T（時間長度）轉(zhuǎn)換電路最基本的測試原理。圖14.9555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作定時用uiuAuBuo&uiuAOOtttOuB1sOtuo

3.波形整形uiuo圖14.10555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作整形用uiuoOOtt

輸入脈沖的波形往往是不規(guī)則的，邊沿不陡，幅度不齊，不能直接輸入到數(shù)字電路。因為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出uo的幅度僅取決于輸出的高、低電平，寬度tp只與定時元件R、C有關(guān)，所以利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠把不規(guī)則的輸入信號ui整形成為幅度、寬度都相同的矩形脈沖uo。圖14.10所示就是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器整形的一個例子。14．3救護(hù)車變音警笛電路的制作變音警笛電路如圖14.11所示。圖14.11救護(hù)車變音警笛電路

上述變音警笛電路實際是由集成555定時器所構(gòu)成的多諧振蕩器，讓我們學(xué)習(xí)一下多諧振蕩器。一、由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器

多諧振蕩器又稱無穩(wěn)態(tài)振蕩器。用555定時組成的多諧振蕩器電路，如圖14.12（a）所示。圖14.12555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器（a）電路圖（b）波形圖O

4O

4t

4t

4VCC4VCC4VCC4uC

4uo

42

43

41

43

4tp

4T24T

4+VCCR1R2CuC+uo0.01μF8

47

46

42

43

41

4555

45

4

該電路輸出波形的周期取決于電容器的充電、放電的時間常數(shù)，其充電時間常數(shù)為T1=（R1+R2）C，放電時間常數(shù)為T2=R2C，輸出的矩形波振蕩周期工程上常用下式公式計算：T=T1+T2=0.7（R1+2R2）C振蕩頻率為f=二、項目電路工作原理

由圖14.11可知，集成555定時器IC1與IC2都接成自激振蕩的工作方式。其中，IC1輸出的方波信號通過R5去控制IC2的⑤腳電平。當(dāng)IC1輸出高電平時，由IC2組成的多諧振蕩器電路輸出頻率較低的一種音頻；當(dāng)IC1輸出低電平時，由IC2組成的多諧振蕩器電路輸出頻率較高的另一種音頻。因此IC2的振蕩頻率被IC1的輸出電壓調(diào)制為兩種音頻頻率，使喇叭發(fā)出“嘀、嘟、嘀、嘟……”的與救護(hù)車鳴笛聲相似的變音警笛聲。改變R2、C1的值，可改變嘀、嘟聲的間隔時間；改變R4、C3的值，可改變嘀、嘟聲的音調(diào)。實施步驟：一、安裝：按圖14.17測試電路將元器件裝在面包板上，并正確連線。二、調(diào)試：

1.接通電源。

2.首先檢查IC2及其外圍電路組成的自激多諧振蕩器電路，某個元件損壞都可能導(dǎo)致喇叭無聲，最常見的是555時基電路損壞。

3.確診喇叭是否正常，若喇叭正常，則是其他的電路問題，應(yīng)進(jìn)一步檢查。

4.當(dāng)喇叭有變調(diào)的警笛聲聲響但是不逼真，就要進(jìn)行以下的調(diào)試：改變R2、C1的值，可改變警笛聲的“漸變”時間；改變R4、C3的值，可改變“漸變”警笛聲的聲調(diào)，調(diào)試到變音警笛聲逼真為止。。14．4數(shù)顯電容計C-T轉(zhuǎn)換電路的制作項目電路如圖14.13和14.14所示。圖14.13C-T轉(zhuǎn)換電路圖14.14多諧振蕩器

接下來我們分析一下所用器件及這兩種電路的電路組成及工作原理。一、集成555定時器NE556

集成555定時器NE556內(nèi)含兩個相同的555定時器，滿足數(shù)顯電容計C-T轉(zhuǎn)換電路及多諧振蕩電路制作的要求，其外形及管腳分布如圖14.15所示。圖14.15NE556引腳分布圖由圖14.15可知，NE556與NE555具有完全相同的功能引腳，由于在前面已學(xué)習(xí)了NE555的引腳功能，在此不再重復(fù)。二、C-T轉(zhuǎn)換電路

C-T轉(zhuǎn)換電路的作用是把被測電容的電容量CX轉(zhuǎn)換成脈沖信號，使脈沖信號的寬度TX正比于CX。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有定時時間正比于定時電容C的關(guān)系，即tW

=1.1R1Cr，因此可以用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)器實現(xiàn)此功能。

C-T轉(zhuǎn)換電路波形見圖14.16所示，圖中TX

=1.1RCX.。這樣單穩(wěn)態(tài)電路只要靠輸入UI1的下降沿觸發(fā)，定時時間與UI1的低電平寬度無關(guān)?？紤]到定時精度和測量速度，設(shè)定測量范圍內(nèi)TX的時間為0.1mS～0.1S，即取R=91kΩ。

14.16C-T轉(zhuǎn)換波形圖

三、多諧振蕩器

多諧振蕩器用NE556的另一555定時器構(gòu)成，電路如圖14.14所示。多諧振蕩器的振蕩周期為：T＝0.7（R1+R2）C，在TX內(nèi)計數(shù)器計到的脈沖數(shù)N=TX/T，即有：N=1.1RCX/T。根據(jù)設(shè)計要求，N就是被測電容CX的電容量（nF）數(shù)，則有T=1.1×91×103×10-9≈10-4S，也就是說振蕩器的振蕩頻率約為10kHZ。根據(jù)振蕩器周期的計算公式，先取C=0.01μF，那么R1+2R2=14.3kΩ，取R1=6.8kΩ，則R2

應(yīng)為3.75kΩ?？梢杂?.7kΩ的電位器作為R2

來調(diào)整電容計的測量精度。實施步驟：

一、安裝

1．安裝前應(yīng)認(rèn)真理解電路原理，弄清和印刷板上元件與電原理圖的對應(yīng)關(guān)系，并對所裝元器件預(yù)先進(jìn)行檢查，確保元器件處于良好狀態(tài)；

2.參照項目器件清單將電阻、電容、集成555定時器、三端穩(wěn)壓器等元件參考原理圖14.13和14.14在實驗板上焊好。

二、調(diào)試

1.檢查印板元器件安裝、焊接應(yīng)準(zhǔn)確無誤調(diào)至5V輸出，給數(shù)顯電容計供電；

2.復(fù)審無誤后如下測試：（1）在CX處接入nF（100nF）級校準(zhǔn)電容，調(diào)節(jié)電位器R19，使數(shù)碼管顯示的讀數(shù)與校準(zhǔn)電容的容量一致；（2）接上若干標(biāo)稱值在量程范圍內(nèi)的電容進(jìn)行測量，并記錄測量結(jié)果；（3）再接入若干標(biāo)稱值不在量程范圍內(nèi)的大電容和小電容，注意觀察超量程指示電路的工作狀態(tài)。

14．5由555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器

一、電路工作原理施密特觸發(fā)器一個最重要的特點，就是能夠把變化非常緩慢的輸入脈沖波形整形成為適合于數(shù)字電路需要的矩形脈沖，而且由于具有滯回特性，所以抗干擾能力也很強。施密特觸發(fā)器在脈沖產(chǎn)生和整形電路中應(yīng)用廣泛。圖14.17（a）是用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器的原理圖，圖14.17（b）是它的工作波形圖。圖14.17555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器（a）電路圖（b）波形圖+VCCuiuo0.01μF8

47

=62341

555

5O

4O

4ttVCC

4uiuo

4VCC42

43

4VCC41

43

4VCC

圖14.18所示是用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器的傳輸特性曲線。圖中VT+稱上觸發(fā)電平，VT–稱下觸發(fā)電平。圖14.18施密特觸發(fā)器的傳輸特性曲線uoVCCOuiVT–1AY圖14.19施密特觸發(fā)器的邏輯符號VT+

除了555定時器可構(gòu)成施密特觸發(fā)器外，集成運放、TTL和CMOS門電路，都可以組成施密特觸發(fā)器。它們的圖形符號如圖14.19所示。利用施密特觸發(fā)器的回差特性，可用于對波形進(jìn)行變換、整形、幅度鑒別等。

二、應(yīng)用舉例

1.波形變換。利用回差特性，可將緩慢變化的正弦波、三角波等變換為邊沿很陡的矩形波。如圖