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1、6.1 5556.1 555定时器6.1.1 6.1.1 电路组成 555定时器按照内部元件分为双极型(又称TTL型)和单极型两种。双极型内部采用的是TTL晶体管；单极型内部采用的则是CMOS场效应管。功能完全一样，区别是TTL定时器驱动能力大于CMOS定时器。下面以TLL集成定时器NE555为例进行介绍。第1页/共61页NE555集成定时器内部电路如图6.1所示，它主要由3个电阻R组成的分压器、两个高精度电压比较器C1和C2、一个基本RS触发器、一个作为放电的三极管VT及输出驱动G3组成。第2页/共61页图6.1 NE555集成定时器内部电路第3页/共61页图6.2所示为555定时器的逻辑符
2、号和引脚排列。第4页/共61页1.分压器 分压器由3个阻值相等的电阻串联而成，将电源电压 3等分，其作用是为比较器C1和C2提供两个参考电压U+1(比较器C1同相输入端，引脚5)、U-2(比较器C2反相输入端)，若控制电压端CO悬空或通过电容接地，则有如果在TH端外接电压，可改变比较器C1和C2的参考电压。第5页/共61页2.比较器 比较器C1和C2是两个结构完全相同的高精度电压比较器。C1的输入端为阈值控制端TH(引脚6)。当 时，比较器C1输出端uC1为低电平，即逻辑“0”。当 时，比较器 C1输出端uC1为高电平，即逻辑“1”。C2的输入端为触发输入端 (引脚7)当 时，比较器 C2输出
3、端uC2为高电平，即逻辑“1”。当 时，比较器 C2输出端uC2为低电平，即逻辑“0”。第6页/共61页3.基本RS触发器 基本RS触发器由两个“与非”门G1和G2组成。C1、C2的输出电压uC1、uC2作为基本RS触发器的输入端。uC1、uC2状态改变，决定触发器输出端 和 端的状态。是专门设置的可从外部进行置“0”的复位端，当 =0时，经反相后将“与非”门封锁输出为0。第7页/共61页4.放电开关和输出驱动 放电开关由一个晶体三极管VT组成，其基极受基本RS触发器输出端 的控制。当 =1时，三极管导通，放电端DIS通过导通的三极管为外电路提供放电的通路；当 =0，三极管截止，放电通路被截断
4、。反相器G3构成输出驱动，具有一定的电流驱动能力。同时，输出级还起隔离负载对定时器影响的作用。第8页/共61页6.1.2 定时器的逻辑功能结合图6.1所示电路结构及上述分析，可以很容易得到NE555定时器的功能如表6.1所示。第9页/共61页6.1.3 6.1.3 课题与实训课题与实训1 1：555555定时器逻辑功能测试定时器逻辑功能测试1.实训任务(1)用仪表仪器测试555定时器的逻辑功能。(2)分析和仿真555定时器的逻辑功能。(3)记录并比较测试结果。2.实训要求(1)熟悉555定时器的符号、逻辑功能、引脚排列。(2)小组之间相互学习和交流，比较实训结果。3.实训设备及元器件(1)实训
5、设备：直流稳压电源1台、面包板1块、单股导线若干、万用表(数字表、指针表各1块)。(2)实训器件：一只0.01mF的电容、一只1k的电阻、一块NE555。第10页/共61页(1)按图6.3所示接好电路，并在放电端DIS和输出端OUT分别接入电压表XMM1和XMM2，用来测量各自的电压值。(2)将开关J1打到左边(复位端RES为高电平)，接入电源电压UDD=6V，并使UCC=4.5V(即满足 ，)，分别用电压表XMM1 和XMM2测量555定时器的输出端OUT和放电端DIS的电压，并记录在表6.2中。(3)保持步骤(2)的条件不变，并使UCC=3V即满足 ，分别将电压表XMM1和XMM2的读数记
6、录在表6.2中。4.测试内容1)测试电路测试电路如图6.3所示。2)测试步骤第11页/共61页(4)保持步骤(2)的条件不变，并使UCC=3V即满足，分别将电压表XMM1和XMM2的读数记录在表6.2中。(5)将开关J1打到右边(复位端RES为低电平)，分别将电压表XMM1和XMM2的读数记录在表6.2中。5.测试结论 将上述测量结果与555定时器的功能表6.1加以比较。第12页/共61页第13页/共61页第14页/共61页 6.2 555 6.2 555定时器的基本应用定时器的基本应用6.2.1 6.2.1 施密特触发器施密特触发器 它具有以下特点：它具有以下特点：(1)具有两个稳定状态，即
7、双稳态触发电路，且两个稳态的维持和相互转换与输入电压的大小有关。(2)对于正向和负向增长的输入信号，电路的触发转换电平(阈值电平)不同，即具有回差特性，其差值称为回差电压。第15页/共61页1.电路组成由555定时器构成的施密特触发器如图6.4所示,定时器外接直流电源和地；阈值控制端TH和触发输入端直接连接，作为信号输入端；复位端接直流电源UDD(即接高电平)，控制电压端CO通过滤波电容(0.01mF)接地。图6.4 555定时器组成的施密特触发器第16页/共61页2.工作原理设输入信号为最常见的三角波，且三角波幅度大于555定时器的参考电压电路输入/输出波形如图6.5所示。图6.5 施密特触
8、发器波形第17页/共61页当输入电压 时，比较器C1、C2输出端uC1=1、uC2=0，基本RS触发器置0，=UOH，电路处于第一稳态。当输入电压 时，比较器C1、C2输出端uC1=1、uC2=1，基本RS触发器维持原来的状态，=UOH。当输入电压 时，比较器C1、C2输出端uC1=0、uC2=1，基本RS触发器置1，=UOL，电路处于第二稳态。第18页/共61页电路的输出电压由高电平UOH转变为低电平UOL时对应的输入电压值，称为上限阈值电压UT+，UT+=。电路的输出电压由低电平UOL转变为高电平UOH时对应的输入电压值，称为下限阈值电压UT-，UT-=。上限阈值电压UT+和下限阈值电压U
9、T-值大小不同，这两者之差，称为回差电压UT UT=UT-UT+=(6-1)第19页/共61页回差电压UT的大小可通过在控制电压CO端上外加电压得以实现.回差电压UT越大，施密特触发器的抗干扰性越强，但施密特触发器的灵敏度也会相应降低。第20页/共61页3.典型应用(1)波形变换。施密特触发器可以将三角波、正弦波等变换为矩形波输出信号。如图6.6所示，施密特触发器将正弦波变换为矩形波。(2)脉冲波形整形。施密特触发器可以将一个不规则的波形进行整形，得到一个良好的波形，如图6.7所示，输入电压为受干扰的波形，通过施密特触发器变为规则的矩形波。第21页/共61页第22页/共61页(3)脉冲幅度鉴别
10、。施密特触发器可用来将幅度较大的脉冲信号鉴别出来。图6.8所示输入信号为一系列随机的脉冲波，通过施密特电路可以将幅度大于某值的输入脉冲检测出来。第23页/共61页6.2.2 6.2.2 课题与实训课题与实训2 2：施密特触发器的测试：施密特触发器的测试1.实训任务(1)用仪表仪器测试施密特触发器的功能。(2)分析和仿真施密特触发器的功能。(3)记录并观测测试结果。2.实训要求(1)熟悉555定时器的符号、逻辑功能、引脚排列。(2)熟悉施密特触发器的构成。(3)小组之间相互学习和交流，比较实训结果。第24页/共61页3.实训设备及元器件(1)实训设备：双路直流稳压电源、信号发生器1台、双踪示波器
11、1台、面包板1块、单股导线若干、万用表(数字表、指针表各1块)。(2)实训器件：一只0.01mF的电容、一只1k的电阻、一块NE555。4.测试内容1)测试电路测试电路如图6.9所示。2)测试步骤(1)按图6.9所示接好电路，在输入端接入信号发生器，并用示波器分别观测输入端和输出端的波形第25页/共61页(2)将信号发生器设置为幅值为3V、频率为1kHz的正弦波，分别观测输入/输出端的波形，并记录上限阈值UT+和下限阈值UT-于表6.3中。(3)将信号发生器设置为幅值为3.5V、频率为1kHz的三角波，分别观测输入/输出端的波形，并记录上限阈值UT+和下限阈值UT-于表6.3中。5.测试结论将
12、上述测量结果与图6.7、图6.8加以比较。第26页/共61页第27页/共61页第28页/共61页6.2.3 单稳态触发器单稳态触发器不同于施密特触发器，它具有下述显著特点：(1)具有一个暂态，一个稳态。(2)在外来触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂态，暂态在保持一定时间后，再自动返回到稳定状态，并在输出端产生一定宽度的矩形脉冲。(3)矩形脉冲宽度取决于电路本身的参数，与触发脉冲无关。第29页/共61页1.电路组成由555定时器构成的单稳态触发器如图6.10所示,触发输入端作为信号输入端，放电端DIS与阈值控制端TH直接连接在电阻R和电阻C之间；复位端接直流电源UDD(即接高电平)，控制电压端CO
13、通过滤波电容(0.01mF)接地。图6.10 555定时器组成的单稳态触发器第30页/共61页2.工作原理(1)稳态。如果直流电源UDD接通以后，单稳态触发器停在 =0，则放电三极管VT导通，放电端DIS通过放电管VT接地，电容C两端的电压UC=0。因阈值控制端TH和放电端DIS直接连接于电容C上，所以阈值控制端TH也为低电平，即 ，而 ，根据555定时器功能可知，此时电路处于=0的保持状态。第31页/共61页单稳态电路输入/输出波形如图6.11所示。图6.11 单稳态触发器输入/输出波形第32页/共61页(2)触发翻转。当触发脉冲的下降沿到达时，使得时，此令UC为低电平，即UC=0。则有=1
14、，电路进入暂稳态。同时放电三极管VT截止，UDD通过R 对C充电。(3)暂稳态。在暂稳态期间，同时放电三极管VT截止，UDD通过R对C充电。充电常数 =RC，UC按指数规律上升，趋向于UDD。第33页/共61页(4)自动恢复。当UC充电到时，如果此时输入信号的触发脉冲已消失，则单稳态触发器=0，放电三极管VT导通，电容C通过放电三极管VT开始放电，电路自动恢复到稳态=0。第34页/共61页3.典型应用(1)定时。暂稳状态持续的时间又称输出脉冲宽度，用tW表示。它由电路中电容两端的电压来决定。电容上的电压uC从充、放电开始到变化至某一数值UD所经历的时间t可以用下列公式计算得到，即(6-2)第3
15、5页/共61页在式(6-2)中，uC(0)是电容未充电时的起始电压；uC()是电容充电后的最终电压。由图6.11可知，电容电压从起始电压uC(0)0充到(式中的UD)的时间tW可由式(6-2)求得第36页/共61页 由此可知，调节电容C和电阻R可以改变输出脉冲宽度。R一般为几百欧到几兆欧，电容C一般为几百皮法到几百微法，tW的范围是几微秒到几分钟。=(6-3)第37页/共61页如图6.12所示，用555定时器构成的单稳态触发器，其输出端用来控制楼道的照明灯L。其中M为声控或手动开关，当声音达到一定程度或人用手触摸M时，它会感应出一个负脉冲作用到触发输入端。单稳态触发器输出端得到高电平，照明灯L
16、点亮，当暂稳态tW时间结束时，触发器输出端得到低电平，照明灯L熄灭。第38页/共61页(2)延时。典型延时电路如图6.13所示，与定时电路相比，其电路的主要区别是电阻R和电容C连接的位置不同。电路中的继电器KA为常断继电器，二极管VD的作用是限幅保护。当直流电源接通，555定时器开始工作，若电容C初始电压为零，因电容两端电压UC不能突变，而=UC+UR，则有=UR=-UC=，此时延时器的输出 =0，继电器常开触点保持断开；同时电源开始向电容充电，第39页/共61页电容两端电压UC不断上升，而电阻两端电压UR对应下降，当 UC时，即=UR=-UC时，延时器的输出=1，继电器常开触点闭合；电容充电
17、至UC=时结束，此时电阻两端电压UR=0，电路输出保持在=1，从直流电接通到继电器KA闭合这段时间，称为延时时间。第40页/共61页第41页/共61页第42页/共61页(3)脉冲整形。单稳态触发器也可以将一个不规则的输入信号整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲，其幅度取决于单稳态电路的输出电平高低，脉冲宽度取决于暂稳态脉冲宽度tW。如图6.14所示，输入电压为不规则的波形，通过单稳态触发器设置合适的脉冲宽度tW，可将其变为规则的矩形波。第43页/共61页第44页/共61页 6.2.4 课题与实训3：单稳态触发器的测试1.实训任务(1)用仪表仪器测试单稳态触发器的功能。(2)分析和仿真单稳态触
18、发器的功能。(3)记录并观测测试结果。2.实训要求(1)熟悉555定时器的符号、逻辑功能、引脚排列。(2)熟悉单稳态触发器的构成。(3)小组之间相互学习和交流，比较实训结果。3.实训设备及元器件1)实训设备 双路直流稳压电源1台、面包板1块、导线若干、万用表(数字表、指针表各1块)。第45页/共61页2)实训器件电容0.01mF、100mF各1只，电阻100k、100各1只，LED1个，NE555一块。4.测试内容1)测试电路测试电路如图6.15所示。2)测试步骤 (1)按图6.15所示接好电路。(2)接通电源UDD后，将开关S1置于低电平，观察发光管LED1的状态_(发光、不发光、发光后熄灭
19、)。(3)在发光管LED1点亮期间，切换开关S1，观测发光管LED1状态 _(会、不会)随之改变。(4)用示波器观测输出端的波形，并测试发光管LED1点亮的维持时间。第46页/共61页第47页/共61页6.2.5 6.2.5 多谐振荡器多谐振荡器 1.电路组成由555定时器构成的多谐振荡器如图6.16所示。阈值控制端TH和触发输入端直接连接，放电回路中串接了一个电阻R2。电路中R1、R2、C均是定时元件。第48页/共61页2.工作原理 设零时刻电容初始电压为零，即UC=0。接通电源后，因电容两端电压UC不能突变，则有 =UC=，根据555定时器功能可知，此时电路输出端 =1(第一暂稳态)。放电
20、三极管VT截止，直流电源UDD通过电阻R1、R2向电容C充电，电容电压UC开始上升，当电容两端电压UC时，有 =UC ，则电路的第49页/共61页输出由第一暂稳态=1跳转到第二暂稳态=0。此时放电三极管VT导通，电容C不再充电，反而通过电阻R2和放电三极管VT放电，电容电压UC开始下降；当电容C两端电压UC 时，则又有=UC=，电路的输出端由第二暂稳态=0返回到第一暂稳态=1。放电三极管VT再次截止，直流电源UDD通过电阻R1、R2向电容C开始充电，电容电压UC开始上升，电路又进入第二暂稳态=0。反复如此，就可在输出端得到矩形波形。多谐振荡器输出波形如图6.17所示。第50页/共61页第51页
21、/共61页该电路的振荡周期T计算如下：第52页/共61页则振荡频率，可见，改变R1、R2和C值即达到改变振荡频率的目的。对于矩形波，除了用幅度、周期来衡量以外，还存在一个占空比参数q，是指一个周期内高电平所占时间。则图6.16所示电路输出矩形的占空比为第53页/共61页3.典型应用(1)产生矩形脉冲。图6.16所示电路只能产生频率固定、占空比大于0.5的矩形波，而实际需要往往要求占空比q能在01可变、频率可调的振荡电路。故将多谐振荡器电路(见图6.16)略加改进即可得到占空比可变、频率可调的多谐振荡器。如图6.18所示，它将充、放电回路分开了。充电回路为RA、D2、C，放电回路为C、D1、RB
22、和放电管VT。改变RW不改变RA+RB值。所以该电路振荡周期T为T=+=(6-7)第54页/共61页(2)模拟声响。模拟声响电路就是通过调节多谐振荡器的定时元件R1、R2、C从而改变振荡器的输出频率，使外接的发声器件发出不同的音调。如图6.19所示的“嘟、咪”模拟发声器，通过接通开关a、b、g，因电阻Ra、Rb、Rg值设置不同，使扬声器发出“嘟、咪”的模拟声音。振荡频率 (6-8)占空比 (6-9)第55页/共61页第56页/共61页6.2.6 课题与实训4：100Hz振荡电路的调试1.实训任务(1)用555定时器构建100Hz的振荡电路。(2)记录并观测测试结果。2.实训要求(1)熟悉555
23、振荡电路的构成方法。(2)熟悉555振荡电路的调试方法。(3)熟悉555振荡电路振荡频率的计算和测试方法。3.实训设备及元器件(1)实训设备：直流稳压电源1台、双踪示波器1台、面包板1块、单股导线若干、万用表(数字表、指针表各1块)。第57页/共61页(2)实训器件：可调电容1只、0.01mF的电容1只、固定电阻1只、电位器1个、NE5551块。4.测试内容1)测试电路测试电路如图6.20所示。2)测试步骤(1)按图6.20所示接好电路，其中UDD=5V，RW=1k，C=0.47mF，R1=100。(2)在输出端接频率计，调节电位器RW使输出频率f=100Hz，并通过示波器观测输出波形。(3)
24、通过测试计算该波形的占空比q。(4)将电容C改为0.22mF，重新调整电位器RW，使输出频率f=100Hz，并计算该波形的占空比。第58页/共61页第59页/共61页 本章小结(1)555定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、应用非常广泛的模拟与数字电路相结合的中规模集成电路，它具有较强的负载能力和较高的触发灵敏度，因而在自动控制、仪器仪表、家用电器等许多领域都有着广泛的应用。(2)在555定时器外部接少许阻容元器件，可构成单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器。(3)单稳态触发器只有一个稳态，在输入触发信号作用下，由稳态进入暂稳态，经一段时间后，自动回到原来的稳态，输出单脉冲信号。单稳态触发器主要用于脉冲整形、定时、脉宽展宽等。(4)施密特触发器有两个稳态，具有滞后电压传输特性，主要用于波形变换、整形及脉冲幅度的鉴别等。(5)多谐振荡器是一种自激振荡电路，它无稳态，只有两个暂稳态，接通电源后，无须外加触发脉冲信号，依靠电容的充放电，电路便能在两个暂稳态之间相互翻转，产生矩形脉冲信号。第60页/共61页