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1、实验七 555定时器及其应用一、实验目的1熟悉并掌握555时基电路的工作原理；2熟悉并掌握555构成的单稳态触发器、多谐振荡器、占空比可调的多谐振荡器三种典型电路结构及工作原理；3学会应用555时基集成电路。二、实验任务（建议学时：4学时）（一）基本实验任务 1. NE555构成的单稳态触发器逻辑功能测试； 2. NE555构成的多谐振荡器及参数测试；3. NE555构成的占空比可调的多谐振荡器及参数测试；（二）扩展实验任务（）1. 555构成的脉冲宽度调制（PWMPulse Width Modulation）器。2. 利用555时基电路设计一个驱动电路，能够实现对LED灯的亮度调节。3. 利
2、用555时基电路设计一个线性斜坡电压（Linear Ramp）发生器。 三、实验原理1555定时器又称为时基电路，由于它的内部使用了三个5K的电阻，故取名555。 （a）引脚排列（b）内部框图 图8-1 NE555引脚排列及内部框图NE555引脚功能说明：GND：电源地；TRIG：触发端；OUT：输出端；RESET：清零端，低电平有效；CONT：控制端；THRES：阈值电压输入端；DISCH：放电端；Vcc：电源正极；555定时器集成芯片型号很多，例如LM555、NE555、SA555、CB555、ICM7555、LMC555等等，尽管型号繁多，但它们的引脚功能是完全兼容的，在使用中可以彼此替
3、换，大多数双极型芯片最后3位数码都是555，大多数CMOS型芯片最后4位数码都是7555（还有部分定时器芯片的命名采用C555来表示CMOS型555定时器，例如LMC555）。另外，还有双定时器型芯片双极型的556和CMOS型的7556、四定时器NE558。555的引脚排列和内部框图见图8-1，556的引脚排列见图8-2。图8-2 NE556双定时器引脚排列2双极型与CMOS型555定时器芯片的区别1）双极型555定时器工作电压范围515V，其驱动能力强，最大负载电流达200mA，其构成的多谐振荡器工作频率较低，极限大约为300kHz（不同厂商生产的555定时器其最高振荡频率不一定相同，具体值
4、需要通过查阅厂商提供的芯片参数手册）；2）CMOS型555定时器工作电压范围316V，其驱动能力弱，最大负载电流仅有4mA，其构成的多谐振荡器工作频率较高，可达500kHz（不同厂商生产的555定时器其最高振荡频率不一定相同，具体值需要通过查阅厂商提供的芯片参数手册）；由于CMOS型的555定时器驱动能力很弱，因此，使用CMOS型的555定时器时，当负载工作电流最大值超过4mA时，需要在CMOS型555定时器的Out端和负载之间加一级缓冲电路以提高CMOS型555定时器的驱动能力。注意，这里的负载电流正负表示的含义为：负载电流为正时，表示电流由Out端流出，负载电流为负时，表示电流流入Out端
5、。（一）基本实验任务表8-1 555逻辑功能表输 入输 出ResetThresTrigOutDisch00导通1Vcc Vcc0导通1Vcc保持保持1VccVccVcc1截止1. 555构成的单稳态触发器图8-3 单稳态触发电路555构成的单稳态触发电路如图8-3电路所示，当555的触发端TRI施加一触发信号，TRI端的电压Vcc，555被触发，进入暂态，其Out端输出一个高电平，同时DIS放电端截止，5V电源通过R对C进行充电，当C两端电压由0V充电至Vcc时，Out端输出高电平翻转为低电平，同时电容C通过导通的DIS放电端放电至0V，电路进入稳态，为下一次触发脉冲的到来做好准备。图8-3单
6、稳态触发电路的暂态持续时间tw1.1RC（R单位K，C单位uF，则t的单位为ms），若Ui端输入一个时钟脉冲信号CP，则图8-3单稳态触发器电路可作为分频器使用，tw应满足NT-0.5TtwNT，其中N为分频数，T为时钟脉冲CP周期，TRI端每输入N个脉冲，Out端就输出一个宽度为t1=NT-tw的低电平信号。图8-4 多谐振荡器2. 555构成的多谐振荡器555构成的多谐振荡器如图8-3电路所示，假设上电前电容C两端电压Vc为零，上电后VcVcc，DIS端截止，5V电源通过R1、R2给C充电，Out端输出高电平，当C两端电压充电至VcVcc时，Out端高电平翻转为低电平，同时电容C通过R2经
7、导通的DIS端到地放电，直至Vc再次Vcc，DIS端截止，5V又重新通过R1和R2对C充电，Out端输出高电平，如此往复循环，Out端就会输出一个连续方波信号。3. 占空比可调的多谐振荡器图8-5 占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器如图8-5所示，它是在图8-4多谐振荡器电路的基础上利用两个二极管D1和D2将C的充电回路和放电回路隔离开，电容充电期间Uo为高电平，其高电平保持时间记为ton，则ton=（R1+RpA）Cln2，电容放电期间Uo输出低电平，其低电平保持时间记为toff=（R2+RpB）Cln2，OUT端输出的方波周期T=ton+toff=(R1+Rp+R2)Cln2。由
8、图8-5充放电过程分析可知，调节Rp可以改变RpA和RPB的比值，从而实现对ton和toff的改变，但R1+Rp+R2始终保持不变，故T=ton+toff也不变。这里占空比用q表示，其定义式为：q=，当电路中的C保持不变，则占空比q表达式还可写为：q=最小占空比qmin=，最大占空比qmax=。（二）扩展任务1. 555构成的脉冲宽度调制（PWMPulse Width Modulation）器。 （a）电路原理图 （b）Ui波形图图8-6 PWM调制器（Ui 1kHz，2Vpp）555构成的脉冲宽度调制器简称PWM如图8-6所示，在图8-4多谐振荡器电路中将5脚与地之间的C1去掉，并在5脚（C
9、ON端）输入一个如图8-6 （b）所示的正弦波，则（c）Ui、Uc、Uo波形图图8-6 PWM调制器 555的OUT端输出方波信号的占空比受CON端输入的正弦信号调制，方波信号的占空比按正弦规律变化。Uo、Ui、Uc波形如图8-6（c）图所示2. 利用555时基电路设计一个驱动电路，能够实现对LED灯的亮度进行调节。当LED正常发光时，其两端电压（正向压降UF）基本保持不变，不同发光颜色的LED灯，其UF不同，通常情况下：红色LED的UF约22.2V、蓝色LED的UF约33.3V、白色LED的UF约33.3V、绿色LED的UF约2.83V。图8-7 WM调光原理LED灯属于电流型器件，一般普通
10、LED灯的正向工作电流IF极限值约为50mA，其光衰电流不能大于IF/3（约1518mA）。当LED灯的IF17mA时，其发光强度与它的IF几乎可近似为线性关系（实际上LED的正向电流和光输出并不是完全正比关系，且不同的LED会有不同的正向电流和光输出关系曲线），但当IF20mA时，LED亮度的增强肉眼已无法分辨，因此，LED的工作电流一般选择在15mA左右，此时LED的电光转换效率较高，且光衰电流合理。综上所述，要实现对LED的亮度调节最简单的方法就是调节其正向电流IF的大小，但直接调节IF大小会导致LED发光色谱产生偏移（具体原因可自行上网查阅相关资料）。目前广泛使用的LED调光技术都是基
11、于PWM方式来调节LED亮度的，其原理如图8-7所示。设计要求：利用NE555设计一个占空比q在0.250.75可调，一个周期T内对应LED的平均IF在515mA之间，NE555工作电源电压为5V，LED的IF最大值Imax取20mA，PWM的周期T应足够小，以保证人眼不会觉察到LED有明显的闪烁感。3. 利用555时基电路设计一个线性斜坡（Linear Ramp）信号发生器（锯齿波发生器）。 利用NE555设计一个线性锯齿波发生器，提示：如图8-8所示电路，用NE555构成多谐振荡器，并用恒流源对电容C进行恒流充电，电容两端电压Uc就会线性增大。图8-8 锯齿波发生器四、实验预习1熟悉555
12、芯片引脚排列及引脚功能。2复习555内部电路结构及工作原理。3当图8-3电路作为分频器使用时，试分析Ui为10kHz方波信号时，电路为几分频器？4估算图8-4多谐振荡器的方波信号周期T及占空比q。5估算图8-5电路的占空比调节范围，及方波信号周期T。6利用Multisim仿真软件对扩展任务1进行电路仿真，观察并了解Uo、Uc、Ui波形之间的关系。7在扩展任务2、3项中任选一个，并利用Multisim仿真软件进行电路设计、仿真和调试直至电路功能符合设计要求为止，画出仿真电路图（电路图使用模块化画法），列出电路所需元件清单，设计出实验测试用数据表格。五、实验器材1数字电路实验箱 2数字万用表3集成
13、电路芯片1）NE555 2只；2）三极管S8550 1只；3）1N4148 2只；4）10k电位器 1只；5）阻容元件若干；6）面包实验板 1块；7）导线若干。六、实验内容与步骤（一）基本实验任务1NE555构成的单稳态触发器功能测试。1）按图8-3在面包板上接好线路，给NE555的TRI端输入一个10kHz的连续脉冲信号，观察并记录Uo和Ui波形；2）将电路中的R由10k更换为5k1，Ui保持不变，观察并记录Uo和Ui波形；3）将电路中的R更换为1M，C更换为10uf，去掉TRI端的Ui信号，并将实验箱中的单脉冲（下降沿）插孔用导线接至NE555的TRI端（2脚），NE555的Out端经过一
14、470欧姆的电阻与LED灯正极相连，LED负极接地。电路通电后，给TRI一个低电平触发脉冲的同时用手机秒表功能对电路暂态tw（LED灯点亮）进行计时，并记录数据，共进行10次计时，取其平均值最为tw的最终测试结果。2. NE555构成的多谐振荡器及参数测试。按图8-4电路在面包板上接线，并用示波器观察并记录Uo、Uc的波形。3. NE555构成的占空比可调的多谐振荡器及参数测试。按图8-5电路在面包板上接线，检查接线无误后，用示波器观察并记录Rp最大和最小时对应的Uo、Uc的波形。（二）扩展实验任务1. 555构成的脉冲宽度调制（PWMPulse Width Modulation）器。1）按照
15、图8-6所示电路在面包板上接线，CON端输入一如图8-6（b）图所示正弦波Ui，其Vpp=2V，f=1kHz。Ui可利用函数信号发生器获得，现将其Vpp调至2V，然后利用信号发生器的DC Offset功能将其幅值向大于0V方向偏移3V。2）用示波器观察并记录Uo、Uc、Ui的波形。2扩展任务选做项。根据事先设计好的电路在实验箱或面包板上连线，按自拟实验步骤对电路进行测试，并将测试结果记入自拟的测试表格中。七、注意事项1实验电路连线事先用万用表“二极管”挡进行检测，保证连接电路的连线完好，正式连接实验线路前，必须对所用芯片进行逻辑功能的验证，保证接入电路的芯片功能完好。2将芯片插入插座，或者从插
16、座上拔出芯片时，用力要均匀，避免用力不均导致芯片引脚弯曲变形甚至折断。3注意集成芯片在集成芯片插座上的安装方向不要弄反，器件和连线要插牢，仔细核对芯片各引脚功能，先将芯片的电源引脚和地引脚分别接至5V正、负极上，其余引脚也不能接错。4芯片输出端不允许并联使用（非OC门），更不允许直接接地或接电源，为了提高电路的抗干扰能力，电路中多余输入端最好不要悬空。5实验中，必须遵循“先连线后通电，先断电后拆线”的操作原则，严禁带电操作。八、实验报告要求1将所有实验中观察记录的波形和测试数据整理到实验报告上，所有波形均用铅笔绘制。2在实验报告上用铅笔工整、清晰地画出设计的电路，并将自拟测试表格及数据、波形整理到实验报告上。3总结本次实验情况，写出心得体会。包括实验中遇到的问题的处理方法和结果。