(完整word版)矩形波發(fā)生器

1、實(shí)驗(yàn)二占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1. 掌握 NE555NE555 ICM7555ICM7555 等定時器芯片的使用方法；2.2. 了解占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器的設(shè)計方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理1.1. 定時器介紹555555 定時器是一種多用途的單片中規(guī)模集成電路。該電路使用靈 活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特 觸發(fā)器。因而在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器和電子玩 具等許多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。目前生產(chǎn)的定時器有雙極型和 CMOCMO 兩種類型，其型號分別有 NE555NE555（或 5G555G555 5和 C7555C7555 等多種。

2、通常，雙極型產(chǎn)品型號最后的三位數(shù)碼都是 555555, CMOCMO 產(chǎn)品型號的最 后四位數(shù)碼都是 75557555，它們的結(jié)構(gòu)、工作原理以及外部引腳排列基 本相同。一般雙極型定時器具有較大的驅(qū)動能力，而CMOCMO 定時電路具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)。 555555 定時器工作的電源電壓很寬， 并可承受較大的負(fù)載電流。雙極型定時器電源電壓范圍為5 5 16V,16V,最大負(fù)載電流可達(dá) 200mA200mA CMOCMO 定時器電源電壓變化范圍為 3 318V,18V, 最大負(fù)載電流在 4mA4mA 以下。圖 1 1 為 555555 集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。其中由三個 5K5KQ的電阻 R1

3、R1、 R2R2 和 R R3 3組成分壓器，為兩個比較器 C Ci和 G G 提供參考電壓，當(dāng)控制端 VMVM 懸空時（為避免干擾VM端與地之間接一 0.010.01F左右的電容）， VA=2VCC/VA=2VCC/，3 3 VB=VCC/VB=VCC/，3 3 當(dāng)控制端加電壓時 V VA=V=VM， V VB=V=VM/2/2 。Vcc復(fù)位RD圖 1555 定時器結(jié)構(gòu)框圖放電管 TDTD 的輸出端 QQ為集電極開路輸出，其集電極最大電流可 達(dá) 50mA50mA 因此具有較大的帶灌電流負(fù)載的能力。555555 集成電路的輸出 級為推拉式結(jié)構(gòu)。RD是置零輸入端，若復(fù)位端RD加低電平或接地，不管

4、其他輸入 狀態(tài)如何，均可使它的輸出 V0V0 為“0”電平。正常工作時必須使RD處于高電平。2.2.功能555555 定時器的功能主要是由兩個比較器 C1C1 和 C2C2 的工作狀況決定 的。由圖 1 1可知，當(dāng) V6VAV6VA V2VB0V2VB0 寸，比較器 C1C1 的輸出 VC1=0VC1=0 比 較器 C2C2 的輸出 VC2=1VC2=1 基本 RSRS 觸發(fā)器被置 0 0, TDTD 導(dǎo)通，同時 VOVO 為 低電平。當(dāng) V6VAV6VBV2VB 時，VC1VC1 = = 1 1 VC2=1VC2=1 觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，因 而 TDTD 和輸出的狀態(tài)也維持不變。當(dāng) V6V

5、AV6VA V2VBV2VB 時，VC1VC1 = = 1 1 VC2=QVC2=Q 故觸發(fā)器被置 1 1, VOVO 為高電 平，同時 T TD D截止。3這樣我們就得到了表 1 1 555555 定時器的功能表。表 1555 定時器的功能表輸入輸岀閾值輸入V6觸發(fā)輸入V2復(fù)位RD輸出Vo放電管狀態(tài)TDXX00導(dǎo)通VAVAVB10導(dǎo)通VB1不變不變3.3.應(yīng)用3.13.1 用 555555 定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器一一具有回差電壓特性，能將邊沿變化緩慢的電壓 波形整形為邊沿陡峭的矩形脈沖。11 電路組成及工作原理圖 2 2 555555 定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器（1 1）vi=0

6、V=0V 時，vo1輸出高電平。（2 2）當(dāng)Vi上升到-Vcc時，Vo1輸出低電平。當(dāng)Vi由-Vcc繼續(xù)上升，33Vo1保持不變。（3 3）當(dāng)Vi下降到dec時，電路輸出跳變?yōu)楦唠娖?。而且在vi繼續(xù)下降到 0V0V 時，電路的這種狀態(tài)不變圖中，R、VCC2構(gòu)成另一輸出端Vo2,其高電平可以通過改變VCC2進(jìn) 行調(diào)節(jié)。22 電壓滯回特性和主要參數(shù)電壓滯回特性V0H -圖 3 3 施密特觸發(fā)器的電路符號和電壓傳輸特性主要靜態(tài)參數(shù)（1 1） 上限閾值電壓VT+-VI上升過程中，輸出電壓Vo由高電平V0H跳變到低電平VOL時，所對應(yīng)的輸入電壓值。VT+=?V=?Vcc。3（2 2） 下限閾值電壓VTv

7、i下降過程中，V。由低電平V0L跳變到高 電平V0H時，所對應(yīng)的輸入電壓值。VT=-V=-Vcc。3（3 3） 回差電壓回差電壓又叫滯回電壓，定義為VT=VT+-VT=心3若在電壓控制端Vc（5 5 腳）外加電壓VS,則將有VT+二VS、VT= =VS/2/2、VT= =VS/2，而且當(dāng)改變VS時，它們的值也隨之改變。3.23.2 用 555555 定時器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有下列特點(diǎn)：第一，它有一個穩(wěn)定狀態(tài)和一個暫V0L04-VCC 3VCCVCCVI（b）電壓傳輸特性穩(wěn)狀態(tài)；第二，在外來觸發(fā)脈沖作用下，能夠由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn) 狀態(tài)；第三，暫穩(wěn)狀態(tài)維持一段時間后，將自動返回到穩(wěn)定狀態(tài)

8、。暫 穩(wěn)態(tài)時間的長短，與觸發(fā)脈沖無關(guān)，僅決定于電路本身的參數(shù)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字系統(tǒng)和裝置中，一般用于定時（產(chǎn)生一定寬度的脈沖）、整形（把不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換成等寬、等幅的脈沖）以及 延時（將輸入信號延遲一定的時間之后輸出）等。11電路組成及工作原理（1 1） 無觸發(fā)信號輸入時電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)電路無觸發(fā)信號時，VI保持高電平，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，即 輸出端VO保持低電平，555555 內(nèi)放電三極管T飽和導(dǎo)通，管腳 7 7“接地” 電容電壓VC為 0V0V。（2 2）VI下降沿觸發(fā)當(dāng)VI下降沿到達(dá)時，555555 觸發(fā)輸入端（2 2 腳）由高電平跳變?yōu)榈碗?平，電路被觸發(fā)，V。由低電平跳變?yōu)楦唠?/p>

9、平，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。（3 3） 暫穩(wěn)態(tài)的維持時間在暫穩(wěn)態(tài)期間，555555 內(nèi)放電三極管T截止，VCC經(jīng)R向C充電。其 充電回路為VCC-FH3地，時間常數(shù)Ti= =RC電容電壓VC由 0V0V 開始 增大，在電容電壓VC上升到閾值電壓2vcc之前，電路將保持暫穩(wěn)態(tài)不3變。V|圖 4 4 用 555555 定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及工作波形（4 4） 自動返回（暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束）時間當(dāng)VC上升至閾值電壓？Vcc時，輸出電壓V。由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑?555555 內(nèi)放電三極管T由截止轉(zhuǎn)為飽和導(dǎo)通，管腳 7 7 “接地”，電容C經(jīng) 放電三極管對地迅速放電，電壓VC由-Vcc迅速降至 0V0V （

10、放電三極管的3飽和壓降），電路由暫穩(wěn)態(tài)重新轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。（5 5） 恢復(fù)過程當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，電容C通過飽和導(dǎo)通的三極管T放電，時間常 數(shù)T2二RCESC,式中RCES是T的飽和導(dǎo)通電阻，其阻值非常小，因此T2之值亦非常小。經(jīng)過（3 35 5）T2后，電容C放電完畢，恢復(fù)過程結(jié) 束。恢復(fù)過程結(jié)束后，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又可以接 收新的觸發(fā)信號。22主要參數(shù)估算V|（1 1）輸出脈沖寬度tw輸出脈沖寬度就是暫穩(wěn)態(tài)維持時間，也就是定時電容的充電時間。由圖 4 4 （b b）所示電容電壓VC的工作波形不難看出VC（0 0OV,OV,VCg=VCC,VC(tw)=|Vcc代入RC過渡過程計算公式

11、可得In Vc( )Vc(0 )vc()vc(tw)iIn 31.1R C上式說明，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tw僅決定于定時元件R C的取值，與輸入觸發(fā)信號和電源電壓無關(guān)，調(diào)節(jié)R、C的取值，即可方便的調(diào)節(jié)two(2)(2) 恢復(fù)時間tre一般取tre二(3 3 5 5)T2，即認(rèn)為經(jīng)過 3 3 5 5 倍的時間常數(shù)電容就放 電完畢。(3)(3) 最高工作頻率fmax若輸入觸發(fā)信號VI是周期為T的連續(xù)脈沖時，為保證單穩(wěn)態(tài)觸發(fā) 器能夠正常工作，應(yīng)滿足下列條件：T tw+tre即Vi周期的最小值Tmin應(yīng)為tw+tre，即因此，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的最高工作頻率應(yīng)為f J_maxTmintwtre需要指出的

12、是，在圖 4 4 所示電路中，輸入觸發(fā)信號VI的脈沖寬度(低電平的保持時間)，必須小于電路輸出V。的脈沖寬度(暫穩(wěn)態(tài)維 持時間tw),否則電路將不能正常工作。因?yàn)楫?dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被觸發(fā) 翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)后，如果Vi端的低電平一直保持不變，那么 555555 定時器IncctW/+tre2的輸出端將一直保持高電平不變解決這一問題的一個簡單方法，就是在電路的輸入端加一個 RCRC 微 分電路，即當(dāng)VI為寬脈沖時，讓VI經(jīng) RCRC 微分電路之后再接到Vi2端。 不過微分電路的電阻應(yīng)接到 VCCVCC 以保證在VI下降沿未到來時，VI2端為咼電平。3.33.3 用 555555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器多諧

13、振蕩器一一產(chǎn)生矩形脈沖波的自激振蕩器多諧振蕩器一旦起振之后，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，它 們做交替變化，輸出連續(xù)的矩形脈沖信號，因此它又稱作無穩(wěn)態(tài)電路, 常用來做脈沖信號源。11電路組成及工作原理圖 5 5 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器22振蕩頻率的估算(1 1)電容充電時間Ti。電容充電時，時間常數(shù)TI二(R+R)C,起始值VC(0 0+)=-Vcc，終了值VC(X)二VCc,轉(zhuǎn)換值VC(Ti)=-Vcc,33帶入RC過渡過程計算公式進(jìn)行計算：(a)(b)VCC11n-VCC11n 20.7(R1R2)C(2 2)電容放電時間T2電容放電時，時間常數(shù)T2二RC,起始值VC(0 0+)

14、=-V=-Vcc，終了值VC3(X)=0=0,轉(zhuǎn)換值VC(TO= =lvcc，帶入RC過渡過程計算公式進(jìn)行計3T20.7R2C(3(3)電路振蕩周期 T TT= =Ti+ +T2=0.7(=0.7(R+2R)+2R)C(4)(4)電路振蕩頻率 f ff丄1.43T (Ri2R2)C(5)(5)輸出波形占空比 q q定義：q= =Ti/ /T，即脈沖寬度與脈沖周期之比，稱為占空比T0.7R R2)C0.7( R12R2)CR2 R2三 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)步驟iln心)心0)Vc( )VC(Ti)23VCCR1R21.1.利用 NE555NE555 或 ICM7555ICM7555 定時器，設(shè)計一個占

15、空比可調(diào)的矩形波 發(fā)生器電路；2.2. 要求畫出具體的電路圖，能使產(chǎn)生的方波占空比可調(diào)，即高電平持續(xù)時間與低電平持續(xù)時間的比值可調(diào)，占空比大約1010%9595%;3.3. （圖 6 6 僅作參考）利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦?，把電容C充電和放電回路隔離開來，再加上一個電位器，便可構(gòu)成占空比可 調(diào)的多諧振蕩器，如圖6 6 所示。圖 6 6 占空比可調(diào)的多諧振蕩器由于二極管的引導(dǎo)作用，電容C的充電時間常數(shù)T1二RC,放電時間常數(shù)T2= =RC。通過與上面相同的分析計算過程可得T=0.7=0.7RC2=0.7=0.7RC端的位置，就可以方便地調(diào)節(jié)占空比q,當(dāng)R二艮時，q=0.5=0.5 ,1-1IVcc,VCCVO5550.01叮占空比:T)T|0.7 R1CT T|T20.7R1C 0.7R2C只要改變電位器滑動R1RD8D2IDiV|2VCC72V。就成為對稱的矩形波。四、預(yù)習(xí)要求1 1 復(fù)習(xí) 555555 定時器的工作原理。2 2 . . 進(jìn)一步了解