实验十三  555时基电路

一、实验目的

1．熟悉555集成定时器的组成及工作原理。

 2．掌握用定时器构成单稳态电路、多谐振荡电路和施密特触发电路等。

 3．进一步学习用示波器对波形进行定量分析，测量波形的周期、脉宽和幅值等。

二、实验原理

1．555集成定时器简介

   555集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件。外加电阻、电容可以组成性能稳定而精确的多谐振荡器、单稳电路、施密特触发器等，应用十分广泛。

   TTL集成定时器555定时器的外引线排列图和内部原理框图如图13-1、13-2所示，功能见表13-1。它是由上、下两个电压比较器、三个5kΩ电阻、一个RS触发器、一个放电三极管 T以及功率输出级组成。比较器 C₁的反相输入端⑤接到由三个5 kΩ电阻组成的分压网络的2/3Vcc处（⑤也称控制电压端），同相输入端⑥为阀值电压输入端。比较器C₂的同相输入端接到分压电阻网络的1/3Vcc处，反相输入端②为触发电压输入端，用来启动电路。两个比较器的输出端控制RS触发器。RS触发器设置有复位端④，当复位端处干低电平时，输出③为低电平。控制电压端⑤是比较器C₁的基准电压端，通过外接元件或电压源可改变控制端的电压值，即可改变比较器C₁、C₂的参考电压。不用时可将它与地之间接一个O．01μF的电容，以防止干扰电压引入。555的电源电压范围是+4.5～+18V，输出电流可达100～200mA，能直接驱动小型电机、继电器和低阻抗扬声器。CMOS集成定时器CC7555的功能和TTL集成定时电路完全一样，但驱动能力小一些，内部结构也不同，CC7555的电路见图13－3。

图 13-1 555集成电路引脚排列图

图13-2  TTL电路555电路结构

图13－3 CMOS电路555电路结构

表13-1 555芯片功能表

2．555定时器的应用

①单稳态电路  

 单稳态电路的组成和波形如图13-4所示。当电源接通后，Vcc通过电阻R向电容C充电，待电容上电压Vc上升到2/3Vcc时，RS触发器置0，即输出Vo为低电平，同时电容C通过三极管T放电。当触发端②的外接输入信号电压Vi＜1/3Vcc时，RS触发器置1,即输出Vo为高电平，同时，三极管T截止。电源Vcc再次通过R向C充电。输出电压维持高电平的时间取决于RC的充电时间，当t=t_W时，电容上的充电电压为；

所以输出电压的脉宽

                t_W=RCln3≈1.1RC

  一般R取1kΩ～10MΩ，C＞1000pF。

值得注意的是：t的重复周期必须大于t_W，才能保证放一个正倒置脉冲起作用。由上式可知，单稳态电路的暂态时间与VCC无关。因此用555定时器组成的单稳电路可以作为精密定时器。

图 13-4单稳态电路的电路图和波形图

②多谐振荡器

多谐振荡器的电路图和波形图如图13-5所示。电源接通后，Vcc通过电阻R₁、R₂向电容C充电。当电容上电v_C=2/3Vcc时，阀值输入端⑥受到触发，比较器C₁翻转，输出电压Vo=0，同时放电管T导通，电容C通过R₂放电；当电容上电压Vc=1/3Vcc，比较器C₂输出0，输出电压Vo变为高电平。C放电终止、又重新开始充电，周而复始，形成振荡。其振荡周期与充放电的时间有关：

充电时间：

放电时间：

振荡周期：T=t_PH+t_PL≈0.7(R₁+2R₂)C

振荡频率：f=1/T=

占空系数：   当R₂>>R₁时，占空系数近似为50％。

图13-5  多谐振荡器的电路图和波形图

由上分析可知：

    a）电路的振荡周期T、占空系数D，仅与外接元件R₁、R₂和C有关，不受电源电压变化的影响。

    b）改变R₁、R₂，即可改变占空系数，其值可在较大范围内调节。

    c） 改变C的值，可单独改变周期，而不影响占空系数。

    另外，复位端④也可输入1个控制信号。复位端④为低电平时，电路停振。

③ 施密特触发器

施密特触发器电路图和波形图如图13-6所示，其回差电压为1/3Vcc。当输入电压大于2/3Vcc时输出低电平，当输入电压小于1/3Vcc时输出高电平，若在电压控制端⑤外接可调电压Vco（1.5～5V），可以改变回差电压ΔV_T。

施密特触发器可方便的地把非矩形波变换为矩形波，如三角波到方波。

施密特触发器可以将一个不规则的矩形波转换为规则的矩形波。

施密特触发器可以选择幅度达到要求的脉冲，虑掉小幅的杂波。

图13-6  施密特触发器电路图和波形图

三、实验内容

1．用 555集成定时器构成单稳态电路。按图 13-4接线。当 C=0.01μF时，选择合理输入信号V_i的频率和脉宽，调节R_W以保证T＞t_W，使每一个正倒置脉冲起作用。加输入信号后，用示波器观察V_i、Vc以及Vo的电压波形，比较它们的时序关系，绘出波形，并在图中标出周期、幅值、脉宽等。

2．按图13-5所示电路组装占空比可调的多谐振荡器。取 R₁＝5.1kΩ，R₂＝5.1kΩ，R_W＝100kΩ（电位器），C＝0.01µF，调节电位器R_W，在示波器上观察输出波形占空比的变化情况。并观察占空比为1:4、1:2、3:4时的输出波形。

    3．在图13-5中，若固定R₁=5.1kΩ ,R₂=5.1kΩ，C=0.1μpF时，用示波器观察并描绘Vo和Vc波形的幅值、周期以及t_PH和t_PL，标出Vc各转折点的电平。

    4．按图13-6所示电路组装施密特触发器。输入电压为Vi =3V，f=1kHz的正弦波。用示波器观察并描绘Vi和Vo波形。注明周期和幅值，并在图上直接标出上限触发电平、下限触发电平，算出回差电压。

    5．图 13-6所示电路中，在电压控制端⑤分别外接 2V、4V电压，在示波器上观察该电压对输出波形的脉宽、上、下限触发电平以及回差电压的影响。

6．用两片555定时器构成变音信号发生器，其电路如图13-7所示。它能按一定规律发出两种不同的声音。这种变音信号发生器是由两个多谐振荡器组成。一个振荡频率较低，另一个振荡频率受其控制。适当调整电路参数，可使声音达到满意的效果。

图 13-7  变音信号发生器

四、实验仪器及器件

数字电路实验箱；数字万用表；示波器；

    集成定时器：NE 555 ×2；

    电      阻：10kΩ、100kΩ×1，5.1kΩ×3；

    电  位  器：100kΩ×1；

电  容  器：0.01μF×3，0.1μF、10μF、100μF×1；

喇      叭：8Ω/0.25W×1。

五、预习要求与思考题

  1．熟悉用555集成定时器和外接电阻、电容构成的单稳触发器、多谐振荡器和施密特触发器的工作原理。

  2．计算实验内容6中变音信号发生器两种声音的频率和持续时间。

  3．实验内容2中，改变电容C的大小能够改变振荡器输出电压的周期和占空比系数吗？试说明要想改变占空系数，必须改变哪些电路参数。

  4. 试设计一个过压报警器，用声（喇叭）和光（发光二极管）同时报警。当工作电压超过+10V（包括10V）时，喇叭发出报警声，同时发光二极管闪烁，闪烁频率为2Hz。

  5．实验内容6中，若将前级的输出信号加到后一级的放电端⑦，声音将会如何变化？

五、实验要求

    1．整理实验数据，画出实验内容中所要求画的波形，按时间坐标对应标出波形的周期、脉宽和幅值等。

2．根据实验内容记录下你所满意的变音信号发生器最后调试的电路参数。并说明你的变音发生器可以用于哪个地方？

七、注意事项

    1．单稳态电路的输入信号选择要特别注意。V_i的周期T必须大于v_O的脉宽t_W，并且低电平的宽度要小于v_O的脉宽t_W

2．所有需绘制的波形图均要按时间坐标对应描绘，而且要正确选择示波器的AC、DC输入方式，才能正确描绘出所有波形的实际面貌。在图中标出周期、脉宽以及幅值等。

八、实验报告

⒈ 按实验内容的各个步骤要求整理相关实验数据。

⒉ 记录实验原始数据附在实验报告后面。

⒊ 总结555时基电路组成的典型电路及使用方法。

 

第二篇：实验六 555时基电路