項目七基于NE555簡易報警器的實現(xiàn)項目描述項目分析任務(wù)1555定時器任務(wù)2施密特觸發(fā)器任務(wù)3多諧振蕩器任務(wù)4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器軟件仿真555定時電路的計算機仿真實驗項目實施

小結(jié)

習(xí)題

項目描述

用時基集成電路NE555設(shè)計一個簡易報警器。報警器工作所需的觸發(fā)信號由開關(guān)進(jìn)行模擬,在開關(guān)閉合時報警器發(fā)出連續(xù)聲音報警信號,報警信號頻率為1000Hz。

項目分析

報警器可采用聲音報警、光報警和無線電信號報警。本項目的任務(wù)是設(shè)計發(fā)出連續(xù)聲音的報警器,把電信號轉(zhuǎn)化為聲音信號的部件有揚聲器(喇叭)和蜂鳴器。本設(shè)計任務(wù)的原

理框圖如圖7－1所示,其中傳感器及信號調(diào)理電路的原理和設(shè)計超出本課程的研究范圍,在實現(xiàn)上可采用開關(guān)進(jìn)行模擬。報警信號產(chǎn)生電路可輸出正弦信號,也可輸出脈沖信號,前者屬于模擬電路的范圍,在此不作考慮。本設(shè)計中,報警信號產(chǎn)生電路輸出脈沖信號,用NE555定時器構(gòu)成多諧振蕩器加以實現(xiàn),振蕩信號頻率為1000Hz,其輸出經(jīng)三極管驅(qū)動,由揚聲器發(fā)出聲音信號。圖7－1報警器原理框圖

本單元將重點介紹脈沖信號的產(chǎn)生與波形變換。脈沖信號具有廣泛的用途,所用到的電路稱為脈沖單元電路,它是數(shù)字系統(tǒng)的重要組成部分。

什么是脈沖信號呢?廣義上講,所有的非正弦信號都可以稱為脈沖信號。脈沖信號按波形的不同,可分為矩形波、梯形波、階梯波、三角波、鋸齒波等。

矩形波是數(shù)字系統(tǒng)最常用的信號,波形的好壞直接影響系統(tǒng)的性能。為了描述矩形波,常使用以下參數(shù)(圖7－2)。圖7－2

(1)脈沖幅度Um:指脈沖波形中電壓幅度變化的最大值。

(2)脈沖寬度Tw:正脈沖寬度Twh從波形上升沿0.5Um開始到波形下降沿0.5Um

結(jié)束;負(fù)脈沖寬度Twl

從波形下降沿0.5Um

開始到波形上升沿0.5Um

結(jié)束。

(3)上升時間tr:脈沖波形從上升沿的0.1Um

上升到0.9Um

所需的時間。

(4)下降時間tf:脈沖波形從下降沿的0.9Um

下降到0.1Um

所需的時間。

(5)脈沖周期T:在周期性重復(fù)波形中,相鄰兩個脈沖間的時間間隔。

(6)占空比q:正脈沖寬度與周期之比,即

任務(wù)1555定時器

555定時器(時基電路)是一種用途廣泛的模擬數(shù)字混合集成電路,于1972年由西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制,其設(shè)計新穎、構(gòu)思奇巧,備受電子專業(yè)設(shè)計人員和電子愛好者青睞。它是一種結(jié)構(gòu)簡單、使用靈活、用途廣泛的集成電路。因而555定時器在控制、定時、檢測、報警等方面有著廣泛應(yīng)用,具有如下三個特點:

(1)外部連接幾個阻容元件便可以方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和壓控振蕩器等多種應(yīng)用電路。

(2)電源電壓范圍寬(3~18V),能夠提供與TTL及CMOS集成電路兼容的邏輯電平。

(3)具有一定的輸出功率,可驅(qū)動微電機、指示燈和揚聲器等。

7.1.1芯片的電路結(jié)構(gòu)

555定時器有TTL型和CMOS型兩類產(chǎn)品,TTL型產(chǎn)品型號最后三位為555,CMOS型產(chǎn)品型號最后四位為7555。它們的功能和外部引腳排列完全相同。

該器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7－3(c)所示,它由三個5kΩ電阻構(gòu)成的電阻分壓器、兩個高精度電壓比較器、基本RS觸發(fā)器和泄放三極管VT組成。其中,圖(a)、(b)、(d)分別為實物圖、邏輯符號圖和引腳排列圖。圖7－3

555定時器圖7－3

555定時器

7.1.2芯片的功能

555定時器的8個引腳(PIN)的名稱及作用如下:

任務(wù)2施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器符號如圖7－4所示,施密特觸發(fā)器是數(shù)字系統(tǒng)中比較常用的一種電路,它有兩個穩(wěn)定的狀態(tài),是由電平觸發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)電路。利用其電平觸發(fā)的特性可以將正弦波、三角波、不規(guī)則(失真)的矩形波等變換為矩形波,也可以作為鑒幅器來使用。圖7－4施密特觸發(fā)器符號

7.2.1施密特觸發(fā)器的特點

施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)態(tài)(Uo=0稱為0態(tài),Uo=1稱為1態(tài)),在外加信號的作用下,施密特觸發(fā)器兩個穩(wěn)態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)換,具有回差特性(觸發(fā)電平有差值)。施密特觸發(fā)器屬于波形變換電路,可以將正弦波、三角波、鋸齒波等變?yōu)槊}沖信號。

7.2.2由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

1.電路結(jié)構(gòu)

將555定時器的閾值輸入端TH和觸發(fā)輸入端TR連接在一起作為輸入,輸出端Q作為輸出(或放電端DIS通過上拉電阻作為輸出),便可構(gòu)成施密特觸發(fā)器,如圖7－5(a)所示。圖7－5

555

定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器

2.工作原理

(3)555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的電路仿真結(jié)果如圖7-6所示。圖7-6施密特觸發(fā)器仿真電路及結(jié)果

7.2.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用

利用施密特觸發(fā)器的回差特性,可完成波形的整形、波形的變換和幅度鑒別等功能。

(1)脈沖整形。如果輸入是正弦波或發(fā)生畸變的矩形波等,都可以通過施密特觸發(fā)電路進(jìn)行整形,獲得較為理想的矩形波。其工作波形如圖7－7(a)所示。

(2)幅度鑒別。幅度鑒別是從一連串幅度不等的脈沖波形中,選出幅度較大的脈沖的電路。利用施密特觸發(fā)器可以實現(xiàn)這一目的,如圖7－7(b)所示的工作波形是幅度鑒別器

將幅度大于VT

+

的脈沖從波形中選出的過程。圖7－7施密特觸發(fā)器的應(yīng)用

(3)555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器用作光控開關(guān)。圖7－8所示電路為555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器用作光控開關(guān)的電路圖。圖中的RL為光敏電阻,有光照時電阻值小,無光照時阻值大。有光照時,電路設(shè)計(選取合適的可變電阻值)使得輸出Uo

為高電平,繼電器J不動作;無光照時,光敏電阻大,電路設(shè)計使得輸出Uo

為低電平,繼電器J吸合,從而實現(xiàn)光控的作用。圖7－8施密特觸發(fā)器用作光控開關(guān)

任務(wù)3多諧振蕩器

多諧振蕩器是一種產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器。由于矩形波含有豐富的高次諧波成分,所以矩形波振蕩器又稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài),只有兩個暫態(tài)(暫時穩(wěn)定狀態(tài)),不需要外加觸發(fā)信號,就能夠周期性地從一個暫態(tài)轉(zhuǎn)到另一個暫態(tài),產(chǎn)生幅度和寬度都一定的脈沖信號。當(dāng)555定時器按如圖7－9(a)所示電路連接時,就構(gòu)成了自激多諧振蕩器,其中,RA和RB是外接電阻,C是外接電容。圖7－9

555構(gòu)成的多諧振蕩器圖7－10輸出頻率、周期與電阻、電容的關(guān)系

由R、C的充放電過程及UC

的波形可得

所以

例如:想產(chǎn)生頻率為1kHz的信號,即周期T為1ms。根據(jù)上面的公式和圖7－9,如果電容C取0.22μF,那么RA+2RB

為6.5kΩ,則可以將電阻RA選為2.5kΩ,電阻RB

選為2kΩ。

任務(wù)4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

7.4.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點單態(tài)觸發(fā)器是一種用于整形、延時、定時的脈沖單元電路,它具有如下特點:

(1)有一個穩(wěn)定狀態(tài)和一個暫時穩(wěn)定狀態(tài)(簡稱暫態(tài))。

(2)在外加脈沖信號的作用下,電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闀簯B(tài)。

(3)暫態(tài)持續(xù)一段時間后,電路自動返回到穩(wěn)定狀態(tài)。

7.4.2由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路如圖7－11(a)所示。圖7－11

555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路

其工作波形如圖7－11(b)所示。

暫態(tài)脈寬Tw

為

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)仿真電路如圖7－12(a)所示,其中R=1kΩ,C=1μF,輸入信號Ui

幅度為5V、頻率為500Hz、占空比為80%。理論計算Tw≈1.1RC=1.1ms,實驗結(jié)果測試如

圖7－12(b)所示,輸出信號暫態(tài)脈寬Tw≈1.1RC=T2-T1=1.1ms圖7－12

555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)仿真電路

7.4.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用

利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路在外加信號作用下由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換到暫態(tài),暫態(tài)持續(xù)一定時間后電路自動恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的特點,可將其用作波形的整形、定時和延時。實際應(yīng)用中常見的紅外控

制水龍頭、聲控樓梯燈等都是單穩(wěn)態(tài)的典型應(yīng)用。

1.脈沖整形

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的矩形波暫態(tài)脈沖寬度取決于電路自身的參數(shù),輸出脈沖幅度取決于觸發(fā)器的電源。因此單穩(wěn)態(tài)電路輸出矩形波暫態(tài)脈沖的寬度和幅度是一致的。若某脈沖

波形不符合要求,可以用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行整形,得到暫態(tài)脈沖寬度和幅度一致的脈沖波形,如圖7－13所示。圖7－13

2.定時

利用單穩(wěn)態(tài)電路輸出脈沖寬度Tw一定的特性,也可以實現(xiàn)定時作用,即用計時開始信號去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,經(jīng)Tw

時間后,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器便可給出計數(shù)停止信號。單穩(wěn)態(tài)定時器還可用于控制定時開關(guān),如樓梯燈定時等。

3.延時

利用單穩(wěn)態(tài)電路輸出脈沖寬度Tw

一定的特性,也可以實現(xiàn)延時作用。輸出脈沖比輸入脈沖滯后Tw時間出現(xiàn),如圖7－14所示。圖7－14

軟件仿真

555定時電路的計算機仿真實驗

1.在Multisim軟件上利用555定時器設(shè)計波形產(chǎn)生電路(多諧振蕩器)。要求:

(1)由555定時器構(gòu)成多諧振蕩器,電路按圖7－9所示電路連接,圖中RA=10kΩ,RB=100kΩ,C=0.1μF,VCC=5V。

(2)測量負(fù)脈沖寬度Twl

、正脈沖寬度Twh

、占空比q、頻率f。

(3)分析測量值與理論值產(chǎn)生誤差的原因。

555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的仿真電路如圖7－15所示。

2.在Multisim軟件上利用555定時器設(shè)計施密特電路。

要求:

(1)由555定時器構(gòu)成施密特電路,如圖7－6所示,圖中輸入Ui

為三角波,VCC=5V。

(2)用示波器觀察輸入、輸出波形。

(3)用示波器觀察Ui輸入不同波形時的輸出圖7－15

55定時器構(gòu)成多諧振蕩器的仿真電路

項目實施

由555定時器和三極管構(gòu)成的報警電路如圖7－16所示。其中,555構(gòu)成多諧振蕩器,振蕩頻率fo

=1.43/((R1

+2R2)C1),振蕩信號的輸出為方波,輸出高電平時間Tw1

=0.7(R1+R2)C1,輸出低電平時間Tw2=0.7R2C1,其輸出信號經(jīng)三極管推動揚聲器。復(fù)位端R為控制信號輸入端,可以接各種傳感器的輸出,異常時R為高電平,則555定時器的復(fù)位端為高電平,多諧振蕩器工作發(fā)出報警;正常時R為低電平,則555定時器的復(fù)位端為低電平,電路停振。+5V電源由J1

引入,各種傳感器信號由J2引入。

電路參數(shù)的估算與調(diào)整:如f0=1kHz,則(R1+2R2)C1=1.43×10-3(s);令C1

=0.1μF,則R1+2R2=14.3×103(Ω);令R2=4.7×103(Ω),則R1=4.9×103(Ω),為便于頻率調(diào)整,R1

一般由固定電阻與可調(diào)電阻串聯(lián)構(gòu)成。

小結(jié)

脈沖信號的產(chǎn)生與整形電路主要包括多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器,多諧振蕩器用于產(chǎn)生矩形波脈沖信號,而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器主要用于對波形進(jìn)行整形和變換,它們都是電子系統(tǒng)中經(jīng)常使用的單元電路。

1.555定時器

555定時器是一種多用途的集成電路,它把模擬電路和數(shù)字電路兼容在一起,只需外接少量阻容元件便可組成多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。此外,它還可組成其他各種實用電路。由于555定時器使用方便、靈活,有較強的帶負(fù)載能力和較高的觸發(fā)靈敏度,因此,它在自動控制、儀器儀表、家用電器等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

2.施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài),它的兩個穩(wěn)定狀態(tài)是靠兩個不同的輸入電平來維持的,因此具有回差特性。只有當(dāng)輸入信號電平處于回差范圍內(nèi)時,電路才能保持狀態(tài),電路輸出脈沖的寬度是由輸入信號所決定的。調(diào)節(jié)回差電壓的大小,可改變輸出脈沖的寬度。施密特觸發(fā)器不僅可將非矩形波變換成矩形波,而且還可以將脈沖波形展寬、延時和進(jìn)行脈沖幅度的鑒別。

3.多諧振蕩器

多諧振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài),只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換完全是靠電路本身電容的充電和放電自動完成的。因此,它無需外加觸發(fā)信號,只要接通電源,就可產(chǎn)生連續(xù)的矩形波脈沖信號,常用作信號源。改變R、C定時元件數(shù)值的大小,可調(diào)節(jié)振蕩頻率