占空比可调的矩形波发生器
占空比可调的矩形波发生器实验一、
二、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5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压变化范围为3～18V，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5KΩ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V M端与地之间接一0.01μF左右的电容），
VA=2VCC/3，VB=VCC/3，当控制端加电压时V A =V M ，V B =V M /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。
D R 是置零输入端，若复位端D R 加低电平或接地，不管其他输入
状态如何，均可使它的输出VO 为“０”电平。正常工作时必须使D
R 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V6>VA 、V2>VB 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V6
当V6 图1 555定时器结构框图 ─ 阈值触发控制 平，同时TD 截止。 这样我们就得到了表1 555定时器的功能表。 3．应用 3.1用555定时器构成的施密特触发器 施密特触发器——具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。 [1] 电路组成及工作原理 O O 1 2I v 2t t v I O v 1 23CC V CC 1V 3(a)电路图 (b)波形图 v 图2 555定时器构成的施密特触发器 （1） v I =0V 时，v o1输出高电平。 （2）当v I 上升到cc V 3 2时，v o1输出低电平。当v I 由cc V 3 2继续上升， v o1保持不变。 放电管状态T D 表1 555定时器的功能表 输 入 触发输入V 2 输出V O 复位D R × 不变 截止 导通 0 0 0 1 1 1 1 × >V A 不变 导通 （3）当v I 下降到cc V 3 1时，电路输出跳变为高电平。而且在v I 继续 下降到0V 时，电路的这种状态不变。 图中，R 、V CC2构成另一输出端v o2，其高电平可以通过改变V CC2进行调节。 [2] 电压滞回特性和主要参数 电压滞回特性 v V V I o OH OL V V V v CC CC CC 13 230 I v v o (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V T+——v I 上升过程中，输出电压v O 由高电平 V OH 跳变到低电平V OL 时，所对应的输入电压值。V T+=cc V 3 2。 （2）下限阈值电压V T ———v I 下降过程中， v O 由低电平V OL 跳变到高电平V OH 时，所对应的输入电压值。V T —=cc V 3 1。 （3）回差电压ΔV T 回差电压又叫滞回电压，定义为 ΔV T = V T+－V T — =cc V 3 1 若在电压控制端V IC （5脚）外加电压V S ，则将有V T+=V S 、V T —=V S /2、 ΔV T = V S /2，而且当改变V S 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，v I 保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端v O 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v C 为0V 。 （2）v I 下降沿触发 当v I 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，v O 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，V CC 经R 向C 充电。其充电回路为V CC →R →C →地，时间常数τ1=RC ，电容电压v C 由0V 开始增大，在电容电压v C 上升到阈值电压cc V 3 2之前，电路将保持暂稳态不 变。 O (a) (b) 2C 3V CC v t t O O t t v I O v v O t I V CC 01 t W 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v C 上升至阈值电压cc V 3 2时，输出电压v O 由高电平跳变为低电平， 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，电压v C 由cc V 3 2迅速降至0V （放电三极管的 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τ2=R CES C ，式中R CES 是T 的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此τ2之值亦非常小。经过（3～5）τ2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t W 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v C 的工作波形不难看出v C （0+）≈0V ，v C （∞）=V CC ，v C （t W ）=cc V 3 2，代入RC 过渡过程计算公式，可得 C R V V V t v v v v t CC CC CC W C C C C W 1.13ln 3 20 ln )()()0()(ln 111==--=-∞-∞=+τττ 上式说明，单稳态触发器输出脉冲宽度t W 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t W 。 （2）恢复时间t re 一般取t re =（3～5）τ2，即认为经过3～5倍的时间常数电容就放电完毕。 （3）最高工作频率f max 若输入触发信号v I 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 > t W ＋t re 即v I 周期的最小值T min 应为t W ＋t re ，即 T min = t W ＋t re 因此，单稳态触发器的最高工作频率应为 re W t t T f +== 11min max 需要指出的是，在图4所示电路中，输入触发信号v I 的脉冲宽度（低电平的保持时间），必须小于电路输出v O 的脉冲宽度（暂稳态维持时间t W ），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v I 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v I 为宽脉冲时，让v I 经RC 微分电路之后再接到v I2端。不过微分电路的电阻应接到VCC ，以保证在v I 下降沿未到来时，v I2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。 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 O (a) (b) v 21C 3V V CC v CC 3t v O t O O t t t CC V 0 1 2 T T T 1 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T 1。电容充电时，时间常数τ1=（R 1+R 2）C ，起始值v C （0+）=cc V 3 1，终了值v C （∞）=V CC ，转换值v C （T 1）=cc V 3 2， 带入RC 过渡过程计算公式进行计算： C R R V V V V T v v v v T CC CC CC CC C C C C )(7.02ln 3 231ln )()() 0()(ln 2111111+==--=-∞-∞=+τττ （2） 电容放电时间T 2 电容放电时，时间常数τ2=R 2C ，起始值v C （0+）=cc V 3 2，终了值v C （∞）=0，转换值v C （T 2）=cc V 3 1，带入RC 过渡过程计算公式进行计 算： C R T 227.0= （3）电路振荡周期T T =T 1+T 2=0.7(R 1+2R 2)C （4）电路振荡频率f C R R T f )2(43.1121+≈ = （5）输出波形占空比q 定义：q =T 1/T ，即脉冲宽度与脉冲周期之比，称为占空比。 2 121212112)2(7.0)(7.0R R R R C R R C R R T T q ++=++= = 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10％～95％； 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。 O 1 R R 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τ1=R 1C ，放电时间常数τ2=R 2C 。通过与上面相同的分析计算过程可得 T 1=0.7R 1C T 2=0.7R 2C 占空比：2 11 21121117.07.07.0R R R C R C R C R T T T T T q += +=+== 只要改变电位器滑动 端的位置，就可以方便地调节占空比q ，当R 1=R 2时，q =0.5， v O 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 1．ICM7555属于CMOS电路，其电源电压范围是＋3～＋18V。若采用NE555双极性定时器，电源电压范围将变成＋4.5～＋16V，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。