555時基電路的設(shè)計

【摘要】針對不同專業(yè)的學(xué)生設(shè)計開發(fā)適合專業(yè)要求的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，做好共性與個性相結(jié)合的文章，可以幫助學(xué)生理解和鞏固各自所學(xué)的理論知識，并圍繞專業(yè)特點(diǎn)把所學(xué)知識加以整合拓展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、分析設(shè)計和工程實(shí)踐能力。這對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、提高學(xué)生的動手能力有重要意義。

【關(guān)鍵詞】555；實(shí)驗(yàn)設(shè)計；創(chuàng)新意識；動手能力

電工、模擬數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室擔(dān)負(fù)著物理、應(yīng)用物理、電子、機(jī)電、熱能等專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。不同專業(yè)的學(xué)生使用的電子技術(shù)類理論教材不完全相同，課程內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)也因此不完全相同。所以，我們的電子電工實(shí)驗(yàn)課在完成共性科目教學(xué)的基礎(chǔ)上，還要針對不同專業(yè)、不同層次的學(xué)生設(shè)計符合他們特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。使學(xué)生在有限的時間內(nèi)結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)提高對電路的分析、設(shè)計和實(shí)際應(yīng)用能力隨著各專業(yè)教學(xué)計劃的調(diào)整，相應(yīng)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時隨之發(fā)生變化，從而使不同專業(yè)的電子電工電子實(shí)驗(yàn)課既有相同之處，又有各自不同的特點(diǎn)。電子電工實(shí)驗(yàn)課教學(xué)迫切需要在有限的時間內(nèi)，對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行有效地改進(jìn)和設(shè)計開發(fā)，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到以下教學(xué)目的：1、讓學(xué)生真正掌握相關(guān)電路及儀器的基本實(shí)驗(yàn)技能和知識，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打好堅實(shí)的基礎(chǔ)；2、提高學(xué)生對電路的分析、設(shè)計和實(shí)際應(yīng)用能力；3、針對不同專業(yè)、不同層次的學(xué)生設(shè)計適合他們的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，針對不同的教材，設(shè)計開發(fā)新項(xiàng)目；4、進(jìn)一步增加綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的比例，并在原有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)增加局部設(shè)計性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以培養(yǎng)和提高學(xué)生對知識的應(yīng)用能力、電路的設(shè)計能力?，F(xiàn)在以555時基電路及應(yīng)用為例說明對于不同專業(yè)學(xué)生我們的做法。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.理解555時基電路結(jié)構(gòu)、工作原理及其特點(diǎn)。

2.掌握555時基電路的基本應(yīng)用。

二、實(shí)驗(yàn)原理

集成時基電路又稱為集成定時器或555電路，是一種數(shù)字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路，應(yīng)用十分廣泛。它是一種產(chǎn)生時間延遲和多種脈沖信號的電路，由于內(nèi)部電壓標(biāo)準(zhǔn)使用了三個5K電阻，故取名555電路。其電路類型有雙極型和CMOS型兩大類，二者的結(jié)構(gòu)與工作原理類似。幾乎所有的雙極型產(chǎn)品型號最后的三位數(shù)碼都是555或556；所有的CMOS產(chǎn)品型號最后四位數(shù)碼都是7555或7556，二者的邏輯功能和引腳排列完全相同，易于互換。55和7555是單定時器。556和7556是雙定時器。雙極型的電源電壓適用范圍為VCC=+5V～+15V，輸出的最大電流可達(dá)200mA，CMOS型的電源電壓為+3～+18V。

（1）555電路的工作原理

555電路的內(nèi)部電路方框圖如圖1所示。它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)管T，比較器的參考電壓由三只5K Q的電阻器構(gòu)成的分壓器提供。它們分別使高電平比較器A1的同相輸入端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為Vcc和上Vcc。A1與A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管T的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號自6腳即高電平觸發(fā)輸入并超過參考電平2/3Vcc時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電開關(guān)管T導(dǎo)通：當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于1/3Vcc時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電開關(guān)管截止。4腳是復(fù)位端，當(dāng)=0，555的3腳輸出低電平。平時端開路或接VCC，5腳Vc是控制電壓端，平時輸出2/3Vcc作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個輸人電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.0lμf的電容器接地，起濾波作用，以消除外來的干擾，確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時，將給接于腳7的電容器提供低阻值的放電通路。

555定時器主要是與電阻、電容構(gòu)成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓，以確定輸出電平的高低和放電開關(guān)管的通斷。這就很方便地構(gòu)成從微秒到數(shù)十分鐘的延時電路，可方便地構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，多諧振蕩器，施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生或波形變換電路。

（2）555定時器的典型應(yīng)用

1）構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

圖2（a）為由555定時器和外接定時元件R、C構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。觸發(fā)電路由C1、R1、D構(gòu)成，其中D為鉗位二極管，穩(wěn)態(tài)時555電路輸人端處于電源電平，內(nèi)部放電開關(guān)管T導(dǎo)通， 7腳輸出低電平，定時電容C被短路；當(dāng)有一個外部負(fù)脈沖觸發(fā)信號經(jīng)C1加到2腳，并使2端電位瞬時低于1/3VCC，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個暫態(tài)過程，3腳輸出高電平，同時開關(guān)管T截止，使定時電容C開始充電，VC按指數(shù)規(guī)律增長。當(dāng)Vc充電到2/3VCC時，高電平比較器動作，比較器A1翻轉(zhuǎn)，3腳輸出VO從高電平返回低電平，放電開關(guān)管T重新導(dǎo)通，電容C上的電荷很快經(jīng)放電開關(guān)管放電，暫態(tài)結(jié)束，恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，為下個觸發(fā)脈沖的來到作好準(zhǔn)備。波形圖如圖2（b）所示。

暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間tW（即為延時時間）決定于外接元件R、C值的大小。

tW=1.1RC

通過改變R、C的大小，可使延時時間在幾個微秒到幾十分鐘之間變化。當(dāng)這種單穩(wěn)態(tài)電路作為計時器時，可直接驅(qū)動小型繼電器，并可以使用復(fù)位端4腳接地的方法來中止暫態(tài)，重新計時。此外尚須用一個續(xù)流2極管與繼電器線圈并連，以防繼電器線圈反電勢損壞內(nèi)部功率管。

2）構(gòu)成多諧振蕩器

如圖3（a）所示， 由555定時器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R2、R2向C充電，以及C通過R2向7腳放電端Ct放電，其波形如圖3（b）所示。輸出信號的時間參數(shù)是T=tW1+tW2，tW1=0.7（R1+R2）C，tW2=0.7R2C，555電路要求R1和R2均應(yīng)大于或等于1K，但R1十R2應(yīng)小于或等于3.3MΩ。

外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時器配以少量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強(qiáng)的功率輸出能力。因此這種形式的多諧振蕩器應(yīng)用很廣。

3）組成占空比可調(diào)的多諧振蕩器

電路如圖4，它比圖3所示電路增加了一個電位器和兩個導(dǎo)引二極管。D1、D2用來決定電容充、放電電流流經(jīng)電阻的途徑（充電時D1 導(dǎo)通，D2截止：放電時D2導(dǎo)通，D1截止）。

占空比：P=tW1 /（tW1十tW2）≈0.7RAC/0.7C （RA+RB）= RA/（RA+RB）

可見，若取RA=RB.；電路即可輸出占空比為50%的方波信號。

4）組成占空比連續(xù)可調(diào)并能調(diào)節(jié)振蕩頻率的多諧振蕩器

電路如圖5所示。對C1充電時，充電電流通過R1、D1、RW2和RW1；放電時通過RW1、RW2、D2、R2，當(dāng)R1=R2，RW2調(diào)至中心點(diǎn)，因充放電時間基本相等，其占空比約為50%，此時調(diào)節(jié)RW1僅改變頻率，占空比不變。如 RW2調(diào)至偏離中心點(diǎn)，再調(diào)節(jié)RW1，不僅振蕩頻率改變，而且對占空比也有影響。RW1不變，僅調(diào)節(jié)RW2，則只改變占空比，對頻率無影響。因此，當(dāng)接通電源后，應(yīng)首先調(diào)節(jié)RW1使頻率至規(guī)定值，再調(diào)節(jié)RW2，以獲得需要的占空比。若頻率調(diào)節(jié)的范圍比較大，還可以用波段開關(guān)改變C1的值。

5）組成施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器具有將正弦波或三角波轉(zhuǎn)換為同頻率的方波的功能，且要求輸入的信號必須大于某個值才能有輸出，因此在自動控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

電路如圖6，只要將腳2、6連在一起作為信號輸人端，即得到施密特觸發(fā)器。圖7給出了Vs、Vi、和VO的波形圖。

設(shè)被整形交換的電壓Vs為正弦波，其正半波通過二極管D同時加到555定時器的2腳和6腳，得到Vi為半波整流波形。當(dāng)Vi上升到2/3VCC時，VO從高電平翻轉(zhuǎn)為低電平；當(dāng)Vi下降到1/3VCC時，VO又從低電平翻轉(zhuǎn)為高電平。電路的電壓傳輸特性曲線如圖8所示。

回差電壓：ΔV=2/3VCC-1/3Vcc=1/3Vcc

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器件

（1）+5V直流電源；

（2）雙蹤示波器；

（3）連續(xù)脈沖源；

（4）單次脈沖源；

（5）音頻信號源；

（6）數(shù)字頻率計；

（7）555集成電路1個；

（8）1N4148二極管2個；

（9）電阻：5.1K2個、10K、100K、200K各1個；

（10）電容0.01兩個、220和10微法各1個。

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

（1）按圖2連線，取R=100K，C=220μf，輸入信號Vi由單次脈沖源（或2腳對地瞬間短路一下）提供，測定3腳輸出電壓VO幅度與暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間tW（也稱維持高電平時間或延時時間或定時時間）。

（2）改變R=200K，重復(fù)上述內(nèi)容。

2.多諧振蕩器

（1）按圖3接線，用雙蹤示波器觀測Vi與VO的波形，用頻率計或示波器其測定頻率

（2）選作內(nèi)容：按圖5接線，調(diào)節(jié)RW2的中心滑動端在中間位不變，調(diào)節(jié)RW1來觀測3腳輸出VO的波形和頻率的變化，測定頻率f的值；令RW1不變，只改變RW2的阻值，用示波器觀察3腳輸出VO的波形占空比和頻率的變化。

3.施密特觸發(fā)器

按圖6接線，輸人信號Vs由音頻信號源提供，預(yù)先調(diào)好Vs的頻率為600HZ--1KHZ之間的正弦波，接通電源，逐漸加大Vs的幅度，觀測3腳輸出電壓VO的波形從無到有的過程，測出輸入電壓Vs與輸出電壓VO的相互關(guān)系特性記入下表中。算出回差電壓ΔU。

五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，做出全面的分析、總結(jié)。

這是我們的555時基電路的設(shè)計講義。對于電子、電科和應(yīng)物專業(yè)的學(xué)生而言，我們要求所有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全做；對于物理、機(jī)電專業(yè)的學(xué)生來說，因?yàn)樗麄兯褂玫慕滩倪@一部分內(nèi)容講得比較少并且實(shí)驗(yàn)學(xué)時數(shù)較少，所以主要選作前兩項(xiàng)，如果學(xué)生特別有興趣，可以利用開放實(shí)驗(yàn)室的時間選做其他實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

針對不同專業(yè)的學(xué)生設(shè)計開發(fā)適合專業(yè)要求的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，做好共性與個性相結(jié)合的文章，可以幫助學(xué)生理解和鞏固各自所學(xué)的理論知識，并圍繞專業(yè)特點(diǎn)把所學(xué)知識加以整合拓展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、分析設(shè)計和工程實(shí)踐能力。這對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、提高學(xué)生的動手能力有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，2006，4.

[2]楊茂宇.電工電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[M].華東理工大學(xué)出版社，2005，8.

作者簡介：王靜（1973—），女，山東陵縣人，大學(xué)本科，高級實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)供職于德州學(xué)院。