矩形波发生器
实验二占空比可调的矩形波发生器实验
一、 实验目的
1. 掌握NE555、ICM7555等定时器芯片的使用方法; 2. 了解占空比可调的矩形波发生器的设计方法。 二、 实验原理 1. 定时器介绍
555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。该电路使用灵活、方便,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。目前生产的定时器有双极型和CMOS 两种类型,其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等多种。通常,双极型产品型号最后的三位数码都是555,CMOS 产品型号的最后四位数码都是7555,它们的结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。一般双极型定时器具有较大的驱动能力,而CMOS 定时电路具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽,并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为5~16V ,最大负载电流可达200mA ;CMOS 定时器电源电压变化范围为3~18V ,最大负载电流在4mA 以下。
图1为555集成电路内部结构框图。其中由三个5K Ω的电阻R1、R2和R3组成分压器,为两个比较器C 1和C 2提供参考电压,当控制端VM 悬空时(为避免干扰V M 端与地之间接一0.01μF 左右的电容),VA=2VCC/3,VB=VCC/3,当控制端加电压时V A =VM ,V B =VM /2。
─ 控制阈值触发
图1 555定时器结构框图
放电管TD 的输出端Q' 为集电极开路输出,其集电极最大电流可达50mA ,因此具有较大的带灌电流负载的能力。555集成电路的输出级为推拉式结构。
R D 是置零输入端,若复位端R D 加低电平或接地,不管其他输入
状态如何,均可使它的输出VO 为“0”电平。正常工作时必须使R D
处于高电平。 2.功能
555定时器的功能主要是由两个比较器C1和C2的工作状况决定的。由图1可知,当V6>VA、V2>VB时,比较器C1的输出VC1=0、比较器C2的输出VC2=1,基本RS 触发器被置0,TD 导通,同时VO 为低电平。
当V6VB时,VC1=1、VC2=1,触发器的状态保持不变,因而TD 和输出的状态也维持不变。
当V6
这样我们就得到了表1 555定时器的功能表。 3.应用
3.1用555定时器构成的施密特触发器
施密特触发器——具有回差电压特性,能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。 [1] 电路组成及工作原理
表1 555定时器的功能表 输 入
阈值输入V 6 触发输入V 2
复位R D
0 1 1 1
输 出
输出V O
0 1 0 不变
放电管状态T D
导通 截止 导通 不变
×
V A
× V B >V B
v I
V 3C C 1V 3C C
v I
O 2v O 1
v O 1
t
(a)电路图
(b)波形图
图2 555定时器构成的施密特触发器
(1) v I =0V时,v o1输出高电平。
(2)当v I 上升到2V cc 时,v o1输出低电平。当v I 由2V cc 继续上升,
3
3
v o1保持不变。
(3)当v I 下降到1V cc 时,电路输出跳变为高电平。而且在v I 继续
3
下降到0V 时,电路的这种状态不变。
图中,R 、V CC2构成另一输出端v o2,其高电平可以通过改变V CC2进行调节。
[2] 电压滞回特性和主要参数 电压滞回特性
v o
V OH
v I
v o
V OL
C C
3C C
V C C I
(a)电路符号(b)电压传输特性
图3 施密特触发器的电路符号和电压传输特性
主要静态参数
(1) 上限阈值电压V T+——v I 上升过程中,输出电压v O 由高电平
V OH 跳变到低电平V OL 时,所对应的输入电压值。V T+=2V cc 。
3
(2)下限阈值电压V T ———v I 下降过程中, vO 由低电平V OL 跳变到高电平V OH 时,所对应的输入电压值。V T —=1V cc 。
3
(3)回差电压ΔV T
回差电压又叫滞回电压,定义为
ΔV T = VT+-V T — =1V cc
3
若在电压控制端V IC (5脚)外加电压V S ,则将有V T+=V S 、V T —=V S /2、ΔV T = VS /2,而且当改变V S 时,它们的值也随之改变。
3.2 用555定时器单稳态触发器
单稳态触发器具有下列特点:第一,它有一个稳定状态和一个暂稳状态;第二,在外来触发脉冲作用下,能够由稳定状态翻转到暂稳状态;第三,暂稳状态维持一段时间后,将自动返回到稳定状态。暂稳态时间的长短,与触发脉冲无关,仅决定于电路本身的参数。 单稳态触发器在数字系统和装置中,一般用于定时(产生一定宽度的脉冲)、整形(把不规则的波形转换成等宽、等幅的脉冲)以及延时(将输入信号延迟一定的时间之后输出)等。 [1]电路组成及工作原理
(1)无触发信号输入时电路工作在稳定状态
当电路无触发信号时,v I 保持高电平,电路工作在稳定状态,即输出端v O 保持低电平,555内放电三极管T 饱和导通,管脚7“接地”,电容电压v C 为0V 。 (2)v I 下降沿触发
当v I 下降沿到达时,555触发输入端(2脚)由高电平跳变为低电平,电路被触发,v O 由低电平跳变为高电平,电路由稳态转入暂稳态。 (3)暂稳态的维持时间
在暂稳态期间,555内放电三极管T 截止,V CC 经R 向C 充电。其充电回路为V CC →R →C →地,时间常数τ1=RC ,电容电压v C 由0V 开始增大,在电容电压v C 上升到阈值电压2V cc 之前,电路将保持暂稳态不
3
变。
C
O
v I
t
V C v I
(a)
O
2C C
O
v C
v O
t W
O
t 0t 1
(b)
图4用555定时器构成的单稳态触发器及工作波形 (4)自动返回(暂稳态结束)时间
当v C 上升至阈值电压2V cc 时,输出电压v O 由高电平跳变为低电平,
3
555内放电三极管T 由截止转为饱和导通,管脚7“接地”,电容C 经放电三极管对地迅速放电,电压v C 由2V cc 迅速降至0V (放电三极管的
3
饱和压降),电路由暂稳态重新转入稳态。 (5)恢复过程
当暂稳态结束后,电容C 通过饱和导通的三极管 T放电,时间常数τ2=R CES C ,式中R CES 是T 的饱和导通电阻,其阻值非常小,因此τ之值亦非常小。经过(3~5)τ束。
恢复过程结束后,电路返回到稳定状态,单稳态触发器又可以接收新的触发信号。 [2] 主要参数估算 (1) 输出脉冲宽度t W
输出脉冲宽度就是暂稳态维持时间,也就是定时电容的充电时间。由图4(b )所示电容电压v C 的工作波形不难看出v C (0+)≈0V ,v C
2
2
后,电容C 放电完毕,恢复过程结
(∞)=V CC ,v C (t W )=2V cc ,代入RC 过渡过程计算公式,可得
3
t W
v C (∞) -v C (0+) =τ1ln
v C (∞) -v C (t W ) V CC -0
V CC -V CC
3
=τ1ln 3=τ1ln =1. 1R C
上式说明,单稳态触发器输出脉冲宽度t W 仅决定于定时元件R 、C 的取值,与输入触发信号和电源电压无关,调节R 、C 的取值,即可方便的调节t W 。 (2)恢复时间t re
一般取t re =(3~5)τ2,即认为经过3~5倍的时间常数电容就放电完毕。
(3)最高工作频率f max
若输入触发信号v I 是周期为T 的连续脉冲时,为保证单稳态触发器能够正常工作,应满足下列条件: T > t W +t re
即v I 周期的最小值T min 应为t W +t re ,即 T min = t W +t re
因此,单稳态触发器的最高工作频率应为 f max =
1T min
=t W
1+t re
需要指出的是,在图4所示电路中,输入触发信号v I 的脉冲宽度(低电平的保持时间),必须小于电路输出v O 的脉冲宽度(暂稳态维持时间t W ),否则电路将不能正常工作。因为当单稳态触发器被触发翻转到暂稳态后,如果v I 端的低电平一直保持不变,那么555定时器
的输出端将一直保持高电平不变。
解决这一问题的一个简单方法,就是在电路的输入端加一个RC 微分电路,即当v I 为宽脉冲时,让v I 经RC 微分电路之后再接到v I2端。不过微分电路的电阻应接到VCC ,以保证在v I 下降沿未到来时,v I2端为高电平。
3.3用555定时器构成的多谐振荡器
多谐振荡器——产生矩形脉冲波的自激振荡器。
多谐振荡器一旦起振之后,电路没有稳态,只有两个暂稳态,它们做交替变化,输出连续的矩形脉冲信号,因此它又称作无稳态电路,常用来做脉冲信号源。 [1] 电路组成及工作原理
C
v C
(a)
1
O
2C C 1C C
C C
O
O
v O
2t 1
t 2
t 0
(b)
图5 用施密特触发器构成的多谐振荡器
[2]振荡频率的估算
(1)电容充电时间T 1。电容充电时,时间常数τ1=(R 1+R 2)C ,起始值v C (0+)=1V cc ,终了值v C (∞)=V CC ,转换值v C (T 1)=2V cc ,
3
3
带入RC 过渡过程计算公式进行计算:
v C (∞) -v C (0+)
T 1=τ1ln
v C (∞) -v C (T 1) 1V CC -V CC
3=τ1ln
2V CC -V CC
3
=τ1ln 2=0. 7(R 1+R 2) C
(2) 电容放电时间T 2
电容放电时,时间常数τ2=R 2C ,起始值v C (0+)=2V cc ,终了值v C
3
(∞)=0,转换值v C (T 2)=1V cc ,带入RC 过渡过程计算公式进行计
3
算:
T 2=0. 7R 2C
(3)电路振荡周期T
T =T 1+T 2=0.7(R 1+2R 2) C
(4)电路振荡频率f f (5)输出波形占空比q
定义:q =T 1/T ,即脉冲宽度与脉冲周期之比,称为占空比。
q =
T 1T
0. 7(R 1+R 2) C =
0. 7(R 1+2R 2) C =R 1+R 2R 1+2R 2=
11. 43≈
T (R 1+2R 2) C
三 实验内容及实验步骤
1. 利用NE555或ICM7555定时器,设计一个占空比可调的矩形波发生器电路;
2.要求画出具体的电路图,能使产生的方波占空比可调,即高电平持续时间与低电平持续时间的比值可调,占空比大约10%~95%; 3.(图6仅作参考)利用半导体二极管的单向导电特性,把电容
C 充电和放电回路隔离开来,再加上一个电位器,便可构成占空比可
调的多谐振荡器,如图6所示。
C
R 1
R O
图6 占空比可调的多谐振荡器
由于二极管的引导作用,电容C 的充电时间常数τ1=R 1C ,放电时间常数τ2=R 2C 。通过与上面相同的分析计算过程可得 T 1=0.7R 1C
T2=0.7R 2C
占空比:q =
T 1T 10. 7R 1C R 1
===
T T 1+T 20. 7R 1C +0. 7R 2C R 1+R 2
只要改变电位器滑动
端的位置,就可以方便地调节占空比q ,当R 1=R 2时,q =0.5,
v O 就成为对称的矩形波。
四、预习要求
1.复习555定时器的工作原理。
2 .进一步了解占空比可调的矩形波发生器的设计方法。
五、注意事项
1.ICM7555属于CMOS 电路,其电源电压范围是+3~+18V 。若采用NE555双极性定时器,电源电压范围将变成+4.5~+16V ,功耗也会增大;
2.该电路还可以用于调节数字仪表显示器亮度,有兴趣的同学可以查阅相关文献。
六、实验报告
1.写出实验目的、基本原理、内容、设计过程,画出实验电路图。
2.根据电路器件的具体参数,计算出占空比的可调范围。