项目四触摸式报警器的制作与调试.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,4.1,项目描述,555,定时器是在电子工程领域中广泛使用的一种中规模集成电路，它将模拟电路与逻辑功能巧妙的结合在一起，具有结构简单、使用电压范围大、工作速度快、定时精度高、驱动能力强等优点。,555,定时器配以外部元件，可以构成多种实际应用电路，广泛应用于产生多种波形的脉冲振荡器、检测电路、自动控制电路、家用电器以及通讯产品等电子设备中。,本任务是制作一个,555,集成定时器构成的触摸式报警器。,4.1.1,任务目标,序号,类别,目标,一,知识点,555,定时器的基本结构及分类,555,定时器构成的施密特触发器及其应用,555,定时器构成的单稳态触发器及其应用,555,定时器构成的多谐振荡器及其应用,二,技能,555,定时器资料查询、识别、测试与选取方法,语音芯片识别与选取的方法,555,定时器的安装、调试与检测,三,职业素养,沟通能力及团队协作精神,良好的职业道德,质量、成本、安全、环保意识,4.1.2,项目学习情境：,555,集成定时器构成的触摸式报警器原理图,4.2,知识链接,概述,施密特触发器,单稳态触发器,多谐振荡器,小结,555,定时器的电路结构及其逻辑功能,主要要求：,了解脉冲信号产生与整形的方法。,了解脉冲波形的主要参数。,4.2.1,概 述,U,m,t,r,t,f,T,t,W,脉 冲 幅 度,U,m,：,脉冲上升时间,t,r,：,脉冲下降时间,t,f,：,脉 冲 宽 度,t,W,：,脉 冲 周 期,T,：,脉 冲 频 率,f,：,占 空 比,q,：,脉冲电压变化的最大值,脉冲波形从,0.1,U,m,上升到,0.9,U,m,所需的时间,脉冲上升沿,0.5,U,m,到下降沿,0.5,U,m,所需的时间,脉冲波形从,0.9,U,m,下降到,0.1,U,m,所需的时间,周期脉冲中相邻两个波形重复出现所需的时间,1,秒内脉冲出现的次数,f,=1/,T,脉冲宽度,t,w,与脉冲周期,T,的比值,q,=,t,w,/,T,一、脉冲波形的主要参数,主要用以,将缓慢变化,或快速变化的,非矩形脉冲变换,成陡峭的矩形脉冲。,常用的有,施密特触发器,和,单稳态触发器,。,获取脉冲信号的方法,脉冲信号产生与整形电路,的实现,是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便、灵活，应用广泛。,用多谐振荡器直接产生。,用,整形电路,对已有波形进行整形、变换。,施密特触发器,单稳态触发器,主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。,用门电路构成。,用专用的集成电路。,用,555,定时器,构成。,二、脉冲信号产生与整形的方法,主要要求：,了解,555,定时器的电路结构，,掌握其符号和功能。,4.2.2,555,定时器的电路结构及其逻辑功能,555,定时器简介,555,定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。它的电源电压范围宽,(,TTL 555,定时器为,5 16 V,，,CMOS 555,定时器为,3 18 V,),，,可提供与,TTL,及,CMOS,数字电路兼容的接口电平，还,可输出一定功率,，驱动微电机、指示灯、扬声器等。,TTL,单定时器型号,的最后,3,位数字,为,555,，双定时器的为,556,；,CMOS,单定时器,的最后,4,位数,为,7555,，双定时器的为,7556,。,它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。,4.2.2.1,555,定时器的电路结构,高电平触发端,电压控制端,低电平触发端,放电端,接地端,复位端,电源端,输出端,555,由比较器,C,1,和,C,2,、基本,RS,触发器和集电极开路的放电三极管,T,三部分组成。,0,1,低 导通,低 导通,不变 不变,高 截止,高 截止,1,1,1,C,1,输出,0,，,C,2,输出,1,C,1,输出,1,，,C,2,输出,1,C,1,输出,1,，,C,2,输出,0,C,1,输出,0,，,C,2,输出,0,T,状态,v,O,v,I2,v,I1,R,D,输 出,输 入,4.2.3,施密特触发器,主要要求：,理解施密特触发器的逻辑功能、工作特点。,理解施密特触发器的典型应用。,了解用,555,定时器构成施密特触发器的方法。,4.2.3.1,施密特触发器的逻辑符号和电压传输特性,Schmitt Trigger,一、施密特触发器的逻辑符号,u,O1,u,I,施密特触发器的逻辑符号,(a),反相输出逻辑符号；,(b),同向输出逻辑符号,u,O2,u,I,(a)(b),U,OL,U,OH,二、施密特触发器的传输特性,U,T,=,U,T+,-,U,T,-,回差电压,施密特触发器工作特点,(,1,),允许输入,信号为,缓慢变化,的信号。,(,2,),有,两个阈值,电压。,(,3,),有两个稳态。,U,T+,O,u,O,u,I,正向阈值电压,负向阈值电压,当,u,I,从小增大时，经过,U,T+,处才能使输出发生跃变。,U,T,-,当,u,I,从大减小时，经过,U,T,-,处才能使输出发生跃变。,V,DD,R,D,OUT,CO,TH,TR,DIS,4.2.3.2,用,555,定时器组成施密特触发器,一、,电路组成,u,I,u,O,二、用,555,定时器接成的施密特触发器,1.,电路结构,将,555,定时器的两个输入端连在一起作为信号输入端，即可得到施密特触发器。,滤波电容，为提高,V,R1,和,V,R2,的稳定性,信号输入端,5,6,2,7,v,I1,v,I2,V,R2,V,R1,0.01,F,v,I,v,O,5,k,5,k,5,k,T,D,G,2,Q,Q,8,4,3,1,+,-,C,1,+,-,C,2,G,1,G,3,G,4,V,CC,v,C2,v,C1,V,R1,2.,工作原理,v,O,O,t,v,I,O,t,v,o,由高电平变为低电平和由低电平变为,高,电平,所对应的,v,I,值不同，就形成了施密特触发特性。,5,6,2,7,v,I1,v,I2,V,R2,V,R1,0.01,F,v,I,v,O,5,k,5,k,5,k,T,D,G,2,Q,Q,8,4,3,1,+,-,C,1,+,-,C,2,G,1,G,3,G,4,V,CC,v,C2,v,C1,双,4,输入施密特,与非,门,逻辑符号,1,A,CT74LS13,2,A,2,C,2,B,2,D,1,Y,2,Y,1,D,1,B,1,C,六施密特反相器,逻辑符号,1,A,2,A,3,A,4,A,5,A,6,A,1,Y,2,Y,3,Y,4,Y,5,Y,6,Y,CT7414,输出逻辑表达式为,Y,=,A,输出逻辑表达式为,Y,=,ABCD,4.2.3.3,集成施密特触发器,一、,TTL,集成施密特触发器,TTL,集成施密特触发门电路一些重要参数的典型值,t,PHL,8.75,42.5,典型延迟时间,/ns,8.8,25.5,8.6,25.5,典型,U,T+,/V,典型每门,功耗,/mW,双,4,输入,与非,门,四,2,输入,与非,门,六反,相器,电路名称,CT74LS13,CT7413,CT74LS132,CT74132,CT74LS14,CT7414,型号,t,PLH,典型,U,T-,/V,典型,U,T,/V,1.6,1.7,1.6,1.7,1.6,1.7,0.8,0.9,0.8,0.9,0.8,0.9,0.8,0.8,0.8,0.8,0.8,0.8,18,15,15,15,15,15,15,18,15,15,15,15,TTL,施密特触发器的特点,(1),可将变化缓慢的信号变换成上升沿和下降沿都很陡直的脉冲信号。,(2),具有阈值电压和回差电压温度补偿。,(3),具有很强的抗干扰能力。,六施密特反相器,逻辑符号,1,A,2,A,3,A,4,A,5,A,6,A,1,Y,2,Y,3,Y,4,Y,5,Y,6,Y,CC40106,输出逻辑表达式为,Y,=,A,二、,CMOS,集成施密特触发器,四,2,输入施密特,与非,门,逻辑符号,1,A,CC4093,3,A,4,A,3,B,4,B,1,Y,2,Y,3,Y,4,Y,2,B,1,B,2,A,输出逻辑表达式为,Y,=,A,B,CMOS,施密特触发门电路一些重要参数,CMOS,集成施密特触发器的特点,(1),可将变化缓慢的信号变换成上升沿和下降沿都很陡直的脉冲信号。,(2),在电源电压,V,DD,一定时，触发阈值电压稳定，但其值会随,V,DD,变化。,(3),电源电压,V,DD,变化范围宽，输入阻抗高，功耗极小。,(4),抗干扰能力很强。,平均传输,延迟时间,t,pd,/ns,15,10,5,15,10,5,U,T+,/V,V,DD,/V,最小值 最大值,四,2,输入,与非,门,六反,相器,电路名称,CC,4093,CC,40106,型号,U,T-,/V,U,T,/V,6.8 10.8,4.6 7.1,2.2 3.6,0.9 2.8,130,180,380,120,140,280,最小值 最大值,最小值 最大值,6.8 10.8,4.6 7.1,2.2 3.6,2.5 5.2,4.0 7.4,0.9 2.8,2.5 5.2,4.0 7.4,0.3 1.6,1.2 3.4,1.6 5.0,0.3 1.6,1.2 3.4,1.6 5.0,O,u,I,t,u,O,U,T+,U,T,-,O,t,一、脉冲波形变换,将三角波、正弦波和其他,不规则信号变换成矩形脉冲。,U,OH,U,OL,当,u,I,U,T+,后，,u,O,=,U,OL,；,当,u,I,下降到小于,U,T,-,时，,u,O,才跃变到,U,OH,。,当,u,I,V,DD,，,TH,=,u,C,0,V,DD,，,TH,=,u,I,V,DD,，因此,u,O,为低电平，,V,导通，电容,C,经放电管,V,迅速放电完毕，,u,C,0 V,。,1,3,2,3,2,3,0,1,低 导通,低 导通,不变 不变,高 截止,高 截止,1,1,1,T,状态,v,O,v,I2,v,I1,R,D,输 出,输 入,2.,触发进入暂稳态,二、工作原理,u,C,O,t,O,u,O,t,U,OL,U,OH,t,W,O,t,U,IH,u,I,V,DD,U,IL,U,OH,充电,当输入,u,I,由高电平跃变为低电平,(,应小于,V,DD,),时，使,TR,=,U,IL,V,DD,，,而,TH,=,u,C,0 V,V,DD,，因此,u,O,跃变为高电平，进入暂稳态,，这时放电管,V,截止，,V,DD,又经,R,向,C,充电，,u,C,上升,。,1,3,2,3,1,3,3.,自动返回稳定状态,二、工作原理,u,C,O,t,O,u,O,t,U,OL,U,OH,t,W,O,t,U,IH,u,I,V,DD,U,OL,U,IH,放电,V,这时,u,I,必须已恢复为高电平,TH,V,DD,2,3,当,u,C,上升到,u,C,V,DD,时,，,TH,=,u,C,V,DD,，而,TR,=,u,I,=,U,IH,(,大于,V,DD,),，因此,u,O,重新跃变为低电平。,同时，放电管导通，,C,经,V,迅速放电,u,C,0 V,，,放电完毕后，电路返回稳态。,1,3,2,3,2,3,例,用上述单稳态电路输出定时时间为,1 s,的,正脉冲，,R,=27 k,，试确定定时元件,C,的取值。,三、输出脉冲宽度的计算,u,C,O,t,O,u,O,t,U,OL,U,OH,t,W,O,t,U,IH,u,I,V,DD,输出脉冲宽度,t,W,即为暂稳态维持时间，主要取决于充放电元件,R,、,C,。,该电路为不可重复触发单稳，且要求输入负脉宽小于输出脉宽,t,W,。,解：,因为,t,W,1.1,RC,故,可取标称值,33,F,。,估算公式,t,W,1.1,RC,集成单稳态触发器,暂稳态期间如再次被触发，对原暂稳态时间无影响，输出脉冲宽度,t,W,仍从第一次触发开始计算。,暂稳态期间如再次被触发，输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽,t,W,。,可重复触发型,非重复触发型,u,O,u,I,1,u,O,u,I,限定符号,“,1,”,表示不可重复触发型单稳态触发器。,限定符号,“”,表示可重复触发型单稳态触发器。,4.2.4.2,集成单稳态触发器,单,稳,工,作,波,形,举,例,单稳输出波形,非重复触发型,单稳输出波形可重复触发型,输入波形,O,u,I,t,O,u,O,t,O,u,O,t,t,W,t,W,t,W,t,W,暂稳态期间不能再次触发。,暂稳态期间能再次触发。其输出脉宽将在原暂稳态时间基础上再展宽,t,W,。,触发脉冲到来时，输出翻转为暂稳态，经暂稳态持续时间,t,W,后自动回到稳态。,外触发脉冲未来时，输出为稳态。,二、脉冲定时,一、脉冲整形,由于单稳态触发器可产生宽度和幅度都符合要求的矩形脉,冲，因此，可利用它来作定时电路。,4.2.4.3,单稳态触发器的应用,脉冲信号经过长距离传输后，其边沿会变差或叠加了某些,干扰，这时可利用单稳态触发器进行整形。将这些受到干扰的,脉冲信号加到,单稳态触发器的输入端，输出便可得到,符合要求,的矩形脉冲。,若已知,R,ext,=10 k,，,C,ext,=1,F,则可得,t,W,0.7,R,ext,C,ext,=7 ms,RI,CX RX/CX,Q,+,V,CC,u,I,R,ext,C,ext,Q,O,u,I,t,O,u,O,t,脉,冲,展,宽,电,路,和,工,作,波,形,三、,脉冲展宽,t,W,接成正脉冲,触发方式,将窄脉冲展宽成宽度为,t,W,的脉冲,4.2.5,多谐振荡器,主要要求：,了解用,555,定时器构成多谐振荡器的方法。,理解石英晶体多谐振荡器的工作原理。,即矩形脉冲产生电路，由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，故常称多谐振荡器。,(,1,),不需输入信号。,(,2,),无稳定状态，只有两个,暂稳态,。,通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。,工作特点,Astable Multivibrator,G,u,O,逻辑符号,多谐振荡器,GND,V,DD,R,D,OUT,CO,555,TH,TR,DIS,V,DD,0.01,F,R,1,C,u,O,u,C,-,+,R,2,4.2.5.1,用,555,定时器组成多谐振荡器,一、,电路组成,DIS,V,DD,R,1,C,u,C,-,+,R,2,TH,TR,GND,V,DD,R,D,CO,0.01,F,OUT,u,O,u,C,O,t,O,u,O,t,U,OL,U,OH,t,WH,t,WL,二、工作原理,充电,U,OH,TH,=,TR,=,u,C,很小,接通,V,DD,后,，开始时,TH,=,TR,=,u,C,0,，,u,O,为高电平，,电路,处于暂稳态,。,这时,放电管截止，,V,DD,经,R,1,、,R,2,向,C,充电，,u,C,上升。,u,C,O,t,O,u,O,t,U,OL,U,OH,t,WH,t,WL,二、工作原理,U,OL,TH,=,TR,2/3,V,CC,当,u,C,上升到,TH,=,TR,=,u,C,2/3,V,DD,时，,u,O,跃变为低电平，,电路进入,暂稳态,。这时放电管,V,导通，,C,经,R,2,和,V,放电，,u,C,下降。,接通,V,DD,后,，开始时,TH,=,TR,=,u,C,0,，,u,O,为高电平，,电路,处于暂稳态,。,这时放电管截止，,V,DD,经,R,1,、,R,2,向,C,充电，,u,C,上升,。,放电,u,C,O,t,O,u,O,t,U,OL,U,OH,t,WH,t,WL,当,u,C,下降到,TH,=,TR,=,u,C,1/3,V,DD,时，,u,O,重新跃变为高电平,，同时放电管,V,截止，电路,返回到暂稳态,。,二、工作原理,TH,=,TR,1/3,V,CC,接通,V,DD,后,，开始时,TH,=,TR,=,u,C,0,，,u,O,为高电平，,电路,处于暂稳态,。,这时放电管截止，,V,DD,经,R,1,、,R,2,向,C,充电，,u,C,上升,。,当,u,C,上升到,TH,=,TR,=,u,C,2/3,V,DD,时，,u,O,跃变为低电平，,电路进入,暂稳态,。这时放电管,V,导通，,C,经,R,2,和,V,放电，,u,C,下降。,二、工作原理,电容,C,如此循环充电和放电，使电路产生振荡，输出矩形脉冲。,周期估算,t,W1,0.7(,R,1,+,R,2,),C,t,W2,0.7,R,2,C,T,=,t,W1,+,t,W2,0.7(,R,1,+2,R,2,),C,u,C,O,t,O,u,O,t,U,OL,U,OH,t,WH,t,WL,三、占空比可调的多谐振荡器,充电回路为,V,DD,经,R,1,、,V,D1,对,C,充电，时,间常数为,R,1,C,。,放电回路为,C,经,V,D2,、,R,2,和放电管,V,放电，时间常数为,R,2,C,。,GND,V,DD,R,D,OUT,CO,555,TH,TR,DIS,V,DD,0.01,F,R,1,C,u,O,V,D2,R,2,R,P,V,D1,R,1,R,2,V,DD,C,V,D2,R,P,V,D1,占空比估算,t,W1,0.7,R,1,C,t,W2,0.7,R,2,C,四、多谐振荡器的应用,555,定时器组成的防盗报警电路,当导线,ab,连通时，直接置,0,端,R,D,为低电平，电路不振荡，扬声器不发出声响，电容,C,4,上电压为,0,，三极管,V,工作在导通状态。,四、多谐振荡器的应用,当,ab,导线被人拉断时，电源,V,CC,经,R,3,、,V,将,C,4,迅速充电到高电平，使,R,D,端为高电平，多谐振荡电路开始振荡，其振荡频率,f,1/0.7(,R,1,+2,R,2,),C,1kHz,，于是，扬声器发出,1kHz,的报警声响。,555,定时器组成的防盗报警电路,振荡频率稳定,由石英晶体的阻抗频率特性可知，只有外加信号的频率,f,和石英晶体的固有谐振频率,f,0,相同时，石英晶体才呈现极低的阻抗，而在其他频率时，则呈现很高的阻抗。因此，石英晶体具有很好的选频特性。,石英晶体的阻抗频率特性,4.2.5.1,石英晶体多谐振荡器,一、石英晶体的选频特性,符号,电阻,R,F1,、,R,F2,用于确定反相器,G,1,和,G,2,的工作点，使其工作在放大区，有利于电路起振。对于,TTL,反相器，,R,F1,和,R,F2,通常取,0.7 2 k,；对于,CMOS,反相器，,R,F1,和,R,F2,通常取,10 100 M,，电容,C,1,和,C,2,为,G,1,和,G,2,间的耦合电容，在频率为,f,0,时，它们呈现的容抗极小，可忽略不计，使,G,1,和,G,2,之间形成正反馈环路。,对称石英晶体多谐振荡器,二、石英晶体多谐振荡器,1.,对称石英晶体多谐振荡器,由于石英晶体接在,G,1,和,G,2,两级反相器之间，且具有很好的选频特性，因此，在接通电源后，对频率为,f,0,的信号非常容易通过石英晶体而产生频率为,f,0,的自激振荡。反相器,G,3,用于整形，使输出,u,O,的波形更接近于矩形脉冲，,G,3,还具有缓冲隔离作用，也提高了负载能力。,对称石英晶体多谐振荡器,二、石英晶体多谐振荡器,1.,对称石英晶体多谐振荡器,电阻,R,1,、,R,2,用以使反相器工作在放大区。对于,TTL,反相器,R,1,和,R,2,通常取,0.7 2 k,；对于,CMOS,反相器，,R,1,和,R,2,通常取,10 100 M,。,C,1,为反相器,G,1,和,G,2,之间的耦合电容，使,G,1,和,G,2,之间形成正反馈环路，对于频率为,f,0,的信号，其呈现的容抗极小，,可忽略不计。,串联,石英,晶体,多谐,振荡器,二、石英晶体多谐振荡器,2.,串联石英晶体振荡器,在电路接通电源后，,G,2,输出频率为,f,0,的信号很容易通过石英晶体形成很强的正反馈而产生自激振荡。,G,3,用以整形，使输出,u,O,的波形更接近于矩形脉冲，并具有缓冲隔离和提高负载能力的作用。,串联,石英,晶体,多谐,振荡器,二、石英晶体多谐振荡器,2.,串联石英晶体振荡器,R,F,为反馈电阻，使反相器,G,1,工作在电压传输特性的过渡区，,R,F,常取,10 100 M,。,G,1,、,R,F,和石英晶体、,C,1,、,C,2,构成电容三点式振荡电路。,C,1,、,C,2,和石英晶体组成,形选频网络，对于频率为,f,0,的信号选频能力最强，很易通过石英晶体而产生自激振荡。反馈系数取决于,C,1,和,C,2,的比值，,C,1,还可微调振荡频率。反相器,G,2,用以整形，使输出,u,O,为矩形脉冲，并可隔离外接负载对振荡电路的影响,。,二、石英晶体多谐振荡器,3.,并联石英晶体振荡器,并联石英晶体多谐振荡器,二、石英晶体多谐振荡器,3.,并联石英晶体振荡器,G,1,和,G,2,为,CMOS,反相器，电阻,R,1,通常取,1 30 M,；,G,1,组成石英晶体多谐振荡器，输出频率,f,=32768Hz,的脉冲信号；,G,2,为整形电路，其输出,32768Hz,的矩形脉冲经,15,级由边沿,D,触发器组成的分频电路后，,FF,15,的,Q,15,端输出稳定度很高的,1Hz,秒脉冲作为计时用的基准信号,。,秒信号发生器,本 章 小 结,555,定时器是一种用途很广的多功能电路，只需外接少量的阻容元件就可很方便地组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，,使用方便灵活，有较强的驱动负载的能力，获得了广泛的应用。,施密特触发器有两个稳态状态，而每个稳定状态都是依靠输入电平来维持的。当输入电压大于正向阈值电压,U,T+,时，输出状态转换到另一个稳定状态；而当输入电压小于负向阈值电压,U,T-,时，输出状态又返回到原来的稳定状态。利用这个特性可将输入的任意电压波形变换成边沿陡峭的矩形脉冲输出，特别是可将边沿变化缓慢的信号变换成边沿陡峭的矩形脉冲。,在数字集成电路中有,TTL,和,CMOS,施密特触发器。性能优越，其正向阈值电压和负向阈值电压稳定，有很强的抗干扰能力。,施密特触发器具有回差特性，调节回差电压的大小，可改变电路的抗干扰能力。回差电压越大，抗干扰能力越强。,施密特触发器主要用于波形变换成、脉冲整形、幅度鉴别等。,单稳态触发器有一个稳定状态和一个暂稳态，在没有触发脉冲作用时，电路处于稳定状态。在输入触发脉冲作用下，电路进入暂稳态，经一段时间后，自动返回到稳定状态，从而输出宽度和幅度都符合要求的矩形脉冲。输出脉冲宽度取决于定时元件,R,、,C,值的大小，与输入触发脉冲没有关系。调节,R,、,C,值的大小，可改变输出脉冲的宽度,。,集成单稳态触发器有非重复触发和可重复触发两类，由于其工作稳定性好、脉冲宽度调节范围大、使用方便灵活等优点，是一种较为理想的脉冲整形电路。单稳态触发器主要用于脉冲整形、定时、和展宽等。,在振荡频率稳定度要求很高的情况下，可采用石英晶体多谐振荡器。,多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。,依靠电容的充电和放电，使两个暂稳态相互自动交换。因此，多谐振荡器接通电源后便输出周期性的矩形脉冲。,改变电容充、放电回路中的,R,、,C,值的大小，便可调节振荡频率。,多谐振荡器主要用作信号源。,555,定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器典型电路为,555,定时器构成的,施密特触发器,555,定时器构成的,单稳态触发器,555,定时器构成的,多谐振荡器,