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1、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
2、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 516V，最大负载电流可达 200mA；CMOS 定时器电源电压变化范围为 318V，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 的电阻R1、R2 和 R3 组成分压器，为两个比较器 C1和 C2提供参考电压，当控制端 VM 悬空时（为避免干扰 VM端与地之间接一 0.01F 左右的电容） ，VA=2VCC/3，VB=VCC
3、/3，当控制端加电压时 VA=VM，V B=VM/2。 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。是置零输入端，若复位端 加低电平或接地，不管其他输入DRDR状态如何，均可使它的输出 VO 为“”电平。正常工作时必须使处于高电平。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 V6VA、V2VB 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
4、 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 V6VAVBVB 不变导通图中， R、 VCC2构成另一输出端 vo2，其高电平可以通过改变 VCC2进行调节。2 电压滞回特性和主要参数电压滞回特性vVVIoOHOLV V V vCCCCCC13 230Iv vo(a) (b)电 路 符 号 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 VT+vI上升过程中，输出电压 vO由高电平 VOH跳变到低电平 VOL时，所对应的输入电压值。 VT+= 。c32（2）下限阈值电压 VTvI下降过程中， vO
5、由低电平 VOL跳变到高电平 VOH时，所对应的输入电压值。 VT= 。c31（3）回差电压 V T回差电压又叫滞回电压，定义为V T= VT+ VT = c31若在电压控制端 VIC（5 脚）外加电压 VS，则将有 VT+=VS、 VT=VS/2、 V T= VS/2，而且当改变 VS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
6、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， vI保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端 vO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 vC为 0V。（2） vI下降沿触发当 vI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， vO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， VCC
7、经 R 向 C 充电。其充电回路为 VCC R C地，时间常数 1=RC，电容电压 vC由 0V 开始增大，在电容电压 vC上升到阈值电压 之前，电路将保持暂稳c32态不变。26VCC RDO5553vI2I1v8 4(a) (b)v7RVCCC 1 50.01FC1vC 2C3VCCvttOO t tvIOvvO tIVCC0 1tW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 vC上升至阈值电压 时，输出电压 vO由高电平跳变为低电cV32平，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
8、压 vC由 迅速降至 0V（放电cV32三极管的饱和压降） ，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 2=RCESC，式中 RCES是 T 的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此 2之值亦非常小。经过（35） 2后，电容 C 放电完毕，恢复过程结束。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 tW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 vC的工作波形不难看出 vC（0 +）0V， vC（）= VCC， vC（ tW）=
9、，代入 RC 过渡过程计算公式，cV32可得CRVtvtWCW1.3ln20)(l1上式说明，单稳态触发器输出脉冲宽度 tW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 tW。（2）恢复时间 tre一般取 tre=（35） 2，即认为经过 35 倍的时间常数电容就放电完毕。（3）最高工作频率 fmax若输入触发信号 vI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 tW tre即 vI周期的最小值 Tmin应为 tW tre，即Tmin= tW tre因此，单稳态触发器的最高工作频率应为reWtTf1m
10、inax需要指出的是，在图 4 所示电路中，输入触发信号 vI的脉冲宽度（低电平的保持时间） ，必须小于电路输出 vO的脉冲宽度（暂稳态维持时间 tW） ，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 vI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 vI为宽脉冲时，让 vI经 RC 微分电路之后再接到 vI2端。不过微分电路的电阻应接到 VCC，以保证在 vI下降沿未到来时，vI2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
11、。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26VCC RDO5553vI2I1v8 4(a) (b)v7RRVCC12C 1 50.01FC1vCP21C3VVCCvCC3tvOtOO t t tCCV0 1 2T TT1 20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 T1。电容充电时，时间常数 1=（ R1+R2）C，起始值 vC（0 +）= ，终了值 vC（）= VCC，转换值 vC（ T1）=cV3，带入 RC 过渡过程计算公式进行计算：
12、cV32CRVTvTC)(7.02ln31l)()0(ln111（2） 电容放电时间 T2电容放电时，时间常数 2=R2C，起始值 vC（0 +）= ，终了值cV32vC（）=0，转换值 vC（ T2）= ，带入 RC 过渡过程计算公式进行cV31计算： CRT27.0（3）电路振荡周期 TT=T1+T2=0.7(R1+2R2)C（4）电路振荡频率 fTf)2(43.1（5）输出波形占空比 q定义： q=T1/T，即脉冲宽度与脉冲周期之比，称为占空比。2121)(7.0RCTq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
13、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1095；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。FvI18CC31V5550.015CROD427VvI26vCCC1vCDD121R2R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 1=R1C，放电时间常数 2=R2C。通过与上面相同的分析计算过程可得T1=0.7R1CT2=0.7R2C占空比： 只要改变电位器滑动21117.0.Tq 端的位置，就可以方便地调节占空比 q，当 R1=R2时，q=0.5， vO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1ICM7555 属于 CMOS 电路，其电源电压范围是318V。若采用 NE555 双极性定时器，电源电压范围将变成4.516V，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。
