实验二 占空比可调的矩形波发生器.doc

实验二占空比可调的矩形波发生器实验
一、 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VM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VA=VM，VB=VM/2。

TD
C2
Q
¯
Q
C1
8
7
6
5
4
3
2
1
图1 555定时器结构框图
+
5KΩ
+
-
-
5KΩ
5KΩ
VC1
VC2
VO
GND
Q'
VM
TH
VCC
RD
─
TR
─
&
&
1
VA
VB
阈值
触发
复位
控制
放电
输出

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。
是置零输入端，若复位端加低电平或接地，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<VA、V2>VB时，VC1=1、VC2=1，触发器的状态保持不变，因而TD和输出的状态也维持不变。
当V6<VA、V2<VB时，VC1=1、VC2=0，故触发器被置1，VO为高电平，同时TD截止。
这样我们就得到了表1 555定时器的功能表。
放电管状态TD
表1 555定时器的功能表
输 入
<VA
阈值输入V6
输 出
触发输入V2
输出VO
复位
×
不变
截止
导通
0
0
0
1
1
1
1
×
>VA
<VA
<VB
>VB
>VB
不变
导通

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

图2 555定时器构成的施密特触发器
（1） vI =0V时，vo1输出高电平。
（2）当vI上升到时，vo1输出低电平。当vI由继续上升，vo1保持不变。
（3）当vI下降到时，电路输出跳变为高电平。而且在vI继续下降到0V时，电路的这种状态不变。
图中，R、VCC2构成另一输出端vo2，其高电平可以通过改变VCC2进行调节。
[2] 电压滞回特性和主要参数
电压滞回特性

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VT+——vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。VT+=。
（2）下限阈值电压VT———vI下降过程中， vO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。VT—=。
（3）回差电压ΔVT
回差电压又叫滞回电压，定义为
ΔVT= VT+－VT— =
若在电压控制端VIC（5脚）外加电压VS，则将有VT+=VS、VT—=VS/2、ΔVT= VS/2，而且当改变VS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，vI保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端vO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vC为0V。
（2）vI下降沿触发
当vI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，vO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，VCC经R向C充电。其充电回路为VCC→R→C→地，时间常数τ1=RC，电容电压vC由0V开始增大，在电容电压vC上升到阈值电压之前，电路将保持暂稳态不变。

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vC上升至阈值电压时，输出电压vO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vC由迅速降至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=RCESC，式中RCES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tW
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vC的工作波形不难看出vC（0+）≈0V，vC（∞）=VCC，vC（tW）=，代入RC过渡过程计算公式，可得

上式说明，单稳态触发器输出脉冲宽度tW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tW。
（2）恢复时间tre
一般取tre=（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fmax
若输入触发信号vI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 > tW＋tre
即vI周期的最小值Tmin应为tW＋tre，即
Tmin= tW＋tre
因此，单稳态触发器的最高工作频率应为

需要指出的是，在图4所示电路中，输入触发信号vI的脉冲宽度（低电平的保持时间），必须小于电路输出vO的脉冲宽度（暂稳态维持时间tW），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vI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vI为宽脉冲时，让vI经RC微分电路之后再接到vI2端。不过微分电路的电阻应接到VCC，以保证在vI下降沿未到来时，vI2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

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T1。电容充电时，时间常数τ1=（R1+R2）C，起始值vC（0+）=，终了值vC（∞）=VCC，转换值vC（T1）=，带入RC过渡过程计算公式进行计算：

（2） 电容放电时间T2
电容放电时，时间常数τ2=R2C，起始值vC（0+）=，终了值vC（∞）=0，转换值vC（T2）=，带入RC过渡过程计算公式进行计算：

（3）电路振荡周期T
T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C
（4）电路振荡频率f

（5）输出波形占空比q
定义：q=T1/T，即脉冲宽度与脉冲周期之比，称为占空比。

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。

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=R1C，放电时间常数τ2=R2C。通过与上面相同的分析计算过程可得
T1=0.7R1C
T2=0.7R2C
占空比：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R1=R2时，q=0.5，vO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。