项目6 声、光控制节能开关电路的设计与制作,在数字系统中，常常需要获得各种不同频率、不同幅度的矩形脉冲信号例如时序逻辑电路中的同步脉冲控制信号CP而获得矩形脉冲信号的方法有两种：一种是利用多谐振荡器直接产生矩形脉冲信号；另一种是通过整形电路对已有信号的波形进行整形、变换，得到符合要求的矩形脉冲信号555定时器电路只要在外部配接少量的元件就可形成很多实用的电路，因而广泛用于信号的产生、变换、控制和检测知识目标 1．了解产生、变换脉冲信号的多种方法 2．掌握555定时器的基本应用 技能目标 1．领悟数字电子电路的设计和分析过程 2．会用555定时器设计实用电路 3．会设计和调试声、光控制节能开关电路[项目要求] 1.利用555定时器设计一个声、光控制节能开关电路 2.具体要求： （1）当有光照射时，开关处于断开状态，灯熄灭 （2）当光线微弱时，开关电路接受声音信号控制夜间只要有脚步声，灯自动亮，延时1min左右后自动熄灭 （3）选择元器件，对电路进行组装调试,[项目分析与参考电路] 1．项目分析 如图6-1所示它由光信号输入电路、声音信号输入电路、桥式整流电路、降压滤波电路、控制电路、延时电路等主要单元电路组成。
图6-1 声、光控制节能开关电路设计框图,2．参考电路 以NE555为控制电路的声光控开关参考电路如图6-2所示，它是以时基芯片NE555为核心器件的单稳态电路 （1）光信号输入电路由RP1和VD1（例如2CU2型：PDM=30 mW，反向电压UR=30 V，暗电流ID=100nA，光电流IL=15μ A，峰值波长λP=0．88μm）组成 （2）声音信号输入电路由话筒BM、电阻R1、R2、三极管VT（9013）、电容C1、C2组成声音信号经话筒BM转换为电信号，经C1耦合到VT1放大，然后由VT1集电极输出送到IC的第2脚 （3）电源电路220V交流电经VD3和VD4（1N4007）整流、C5滤波、VD2（1N4737A）稳压成为直流电，作为电路的直流电源 （4）延时电路由电阻R5和电容C6组成，延时时间△t≈1.1 R5 C65）控制电路由555定时器IC（NE555）、电阻R4、双向可控硅VS（SCl46D）组成，其作用是控制电路的通、断 （6）负载为白炽灯H，最大可接100W图6-2 以NE555为控制电路的声光控开关电路,电路的工作过程如下：,①当环境亮度大时，光敏二极管VD1受到亮光的影响，光电流较大，相当于阻值减小，RP2串联分压使IC NE555的第4脚电位很低，IC被强制复位。
此时即使话筒BM接收到声音信号，IC的输出端第3脚也是输出低电平，双向可控硅VS呈截止断开状态，灯泡H熄灭②当光线较暗(或天黑)时，由于光敏二极管VD1（2CU2），不受光照影响，暗电流ID很小，相当于阻值变大，IC的第4脚电位升高进入工作状态此时若有声响时，话筒将声响转换成电信号，经VT1放大后送到IC的第2脚，使IC的输出端第3脚由低电平转为高电平，双向晶闸管VS被触发导通，灯泡H点亮声响消失后，整个电路仍处于暂稳态过程，当电容C3上的电压充至IC第6脚的阈值电压时，C3则通过IC的第7脚放电，接着电路又回到初始状态IC的暂稳态工作时间长短决定了灯泡H点亮的延时长短，可由1．1RP1C3来估算，调整电位器RP1的大小可改变白炽灯H点亮的延时时间，图6-2中的参数延时时间最长可达4．5分钟左右[项目实施],电路连接与调试 1．检测用万用表检测元器件，确保元器件是好的 2．安装根据电路原理图，画出装配图由装配图完成电路的装配及焊接 3．测试电路在明亮环境下，击掌，看灯是否亮（正常不亮）；在光线较暗环境下，击掌，看灯是否亮（正常亮）[相关知识链接] 知识链接6．1 认识多谐振荡器 多谐振荡器是一种矩形脉冲信号发生器。
它接通电源后无需外加输入信号，便可自动产生一定频率与幅度的矩形脉冲由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以称为多谐振荡器多谐振荡器产生的矩形脉冲总是在高、低电平之间相互转换，它没有稳定状态，只有两个暂稳定状态，所以称为无稳态电路，常用作脉冲信号源 1．由门电路组成的多谐振荡器 由门电路组成的多谐振荡器虽有多种电路形式，但它们无一例外地均具有如下共同特点首先，电路中含有开关器件，如门电路、电压比较器、BJT等这些器件主要用作产生高、低电平其次，具有反馈网络，将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态另外，还要有延迟环节，利用RC电路的充、放电特性可实现延时，以获得所需要的振荡频率在许多实用电路中，反馈网络兼有延时的作用一种由CMOS门电路组成的多谐振荡器如图6-3所示电路的工作过程分析如下： （1）第一暂稳态及其自动翻转过程 接通电源后，电容C尚未充电，假定电路处于 ，,的状态，即所谓的第一暂稳态此时，处于高电平的,经电阻R对电容C充电，随着充电时间的增加，,将上升，当,将上升，当,上升到CMOS反相器的阈值电压,时，电路产生如下正反馈过程：,结果迅速使,，电路进入第二暂稳态。
2）第二暂稳态及其自动翻转过程 电路进入第二暂稳态的瞬间，由于电容C两端电压不能突变，,也要上跳,，并维持,低电平随后，输出高电平,将下降，当,下降到阈值电压,时，电路又产生如下正反馈过程：,结果迅速使,，电路又回到第一暂稳态如此反复循环，使电路产生振荡，输出周期性的矩形脉冲其工作波形如图6-4所示,图6-3由CMOS门电路组成的多谐振荡器 图6-4 多谐振荡器的波形图,由上述分析不难看出，多谐振荡器的两个暂稳态的转换过程是通过电容C充、放电作用来实现的，电容的充、放电作用又集中体现在图中,电路的振荡周期T由充电时间 T1和放电时间T2组成，可按下式估算： T=T1 +T2 ≈1.4RC,从上式可以看出带有RC延迟电路的多谐振荡器，其频率取决于R、C的值改变R、C的取值，可调节振荡频率通常用电容C粗调振荡频率，用电阻器作定时电阻R来细调振荡频率2. 石英晶体多谐振荡器 在数字系统中，常用矩形脉冲信号来控制和协调整个系统的工作在许多场合下对矩形脉冲信号的振荡频率的稳定性有严格的要求例如：数字钟的秒脉冲信号，它的频率稳定性直接影响着计时的准确性在这种情况下，前面介绍的多谐振荡器不能满足要求。
这是因为这些多谐振荡器的频率取决于电路中的R、C、门电路和电源，而半导体器件对温度的敏感、电源电压的波动和R、C参数误差使它们的振荡频率不稳定，因此需要采用频率稳定性很高的多谐振荡器 为得到频率稳定性很高的脉冲波形，多采用由石英晶体组成的石英晶体多谐振荡器图6-5给出了石英晶体多谐振荡器的电路石英晶体的选频特性很好当外加电压信号的频率为石英晶体的固有频率fS 时，它的阻抗很小，频率为fS的信号易通过，并在电路中形成正反馈，而其他频率的信号均会被晶体所衰减因此，振荡电路的输出信号频率必然是fS而石英晶体的固有频率fS 是由它本身的结晶方式和几何尺寸决定的，因此石英晶体具有极高的频率稳定性图6-5 石英晶体多谐振荡器的电路,图6-5电路中，并联在两个反相器输入、输出间的电阻,的作用是使反相器工作性放大区，对于TTL门电路其阻值通常在0.7kΩ~2kΩ之间；对于CMOS门则常在10MΩ~100MΩ之间为耦合电容，,容量的选择应使其在振荡电路频率为fS时的容抗可以忽略不计图6-5所示电路的振荡频率仅取决于石英晶体的固有频率fS，而与电路中的值无关这是因为电路对频率fS所形成正反馈最强而易于维持振荡。
知识链接6．2 认识单稳态触发器 单稳态触发器是一种对已有波形进行变换、整形的电路它具有下述特点： ①电路有一个稳态和一个暂稳态在无外加触发信号时，电路处于稳态②在外加触发信号的作用下，电路从稳态进入暂稳态 ③经过一段时间后，电路又自动返回稳态暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发信号无关 单稳态触发器在触发信号的作用下能产生一定宽度的矩形脉冲，它广泛用于数字系统中的整形、延时和定时 1．由门电路组成的微分型单稳态触发器 图6-6给出了微分型单稳态触发器的电路该电路是由CMOS门电路和RC微分电路组成的G2 门的输出和G1 门的输入直接耦合，而G1 门输出和G2 门的输入采用RC微分电路耦合其中R的数值要小于G2的关门电阻ROFF 对于CMOS门电路可以近似认为VOH ≈VDD 、VOL ≈0、VTH ≈1/2VDD 电路的工作过程可分四个阶段，分析如下：,图6-6 微分型单稳态触发器,在无触发信号，,时，由于,RROFF ，因此G2门的输入,为低电平，则输出,为高电平G1门输入全为高电平，输出,（2）触发翻转至暂稳态 当在,为低电平此时电容C上的电压为零，电路处于稳定状态，即图6-6所示电路在稳态时,图6-7 微分型单稳态触发器的工作波形,（2）触发翻转至暂稳态当在,端加负触发脉冲信号时，G1门的输出,跳变为高电平VOH 。
由于电容C上的电压不能突变，使G2门的输入,也随之产生正跳变，G2门的输出,跳变为低电平VOL，并反馈到G1门的输入端这时即使,回到高电平，,仍维持低电平，电路进入暂稳态暂稳态时,（3）自动翻转回稳进入暂稳态后，,输出的高电平VOH 经C、R对电容C充电，使电容C上的电压上升，,逐渐下降，当,下降到G2的阈值电压时，G2的输出,为高电平VOH，并反馈到G1门的输入端，使,为低电平VOL，电路回到稳态4）恢复过程 暂稳态结束后， 回到低电平，电容C经门G1的输出电阻放电，使电容两端的电压恢复到稳态值，为下一次触发翻转做准备微分型单稳态触发器的工作波形如图6-7所示 由以上分析可知单稳态触发器输出脉冲宽度取决于暂稳态的维持时间，可近似估算如下： tW≈0.7RC （6-2） 在使用微分型单稳态触发器时，触发脉冲信号的脉宽tW1应小于输出脉冲的宽度tW，即tW1tW并且触发信号的周期要大于暂稳态加恢复过程的时间，否则电路不能正常工作2．集成单稳态触发器 单稳态触发器应用十分普遍为了方便使用将此电路制成了单片集成电路，并在其内部附加了温补措施、上升沿和下降沿触发的控制及置零等功能。
因此集成单稳态触发器具有温度稳定性好、触发方式灵活的特点使用这些器件时，只需外接很少的元件和连线，十分方便 集成单稳态触发器根据触发状态不同，可分为两种：一种是不可重复触发型单稳态触发器，另一种是可重复型单稳态触发器其逻辑符号如图6-8所示图6-8（a）方框中的“1,”表示该电路在暂稳态期间只能被触发一次，暂稳态的时,（a）不可重复触发型 （b）可重复触发型 图6-8 单稳态触发器的逻辑符号,间不变也就是说触发一旦进入暂稳态期间，如再加入触发脉冲不会影响电路的工作状态必须在暂稳态结束后它才能接受下一个触发脉冲图6-8（b）方框图中的“,”表示该电路可重复触发多次，暂稳态时间可以改变即在触发进入暂稳态期间，如再次加入触发脉冲，电路将重复被触发，输出脉冲宽度可在前一个暂稳态时间的基础上再展宽tW两种单稳态触发器工作的波形图如图6-9所示a）不可重复触发型 （b）可重复触发型 图6-9 两种不同单稳态触发器的工作波形,常见的集成单稳态触发器TTL型的有：74121、74221、74LS221为不可重复触发型单稳态触发器，74122、74LS122、74123、74LS123为可重复触发型单稳态触发器。
a）符号图 （b）引脚图 图6-10 集成单稳态触发器74121的符号图和引脚图,图6-10给出了不可重复触发型单稳态触发器74121的符号图和外引脚图74121的逻辑功能见表6-1表6-1 74121的功能表,根据74121的功能表对其功能说明如下： （1）74121具有边沿触发的特性，电路由稳态翻转到。