振荡电路及555定时器应用设计报告.doc

振荡电路及555定时器应用设计报告

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18

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振荡电路设计报告

设计课题: 自激多谐与单稳态

专业班级： 12电信卓越班
学生姓名: 万 松
学　　号:　　120802034 　　　
指导教师： 许老师
设计时间： 2013—12-25

自激多谐与单稳态

一、设计任务与要求
1．用非门设计构成多谐振荡器,振荡频率为6KHz；用非门设计构成晶振振荡器，晶振为4MHz；555时基电路构成多谐振动器;
2．用555 时基电路构成单稳态触发器，具有可重复触发特性;
二、方案设计与论证
任务一：多谐振荡器
1. 方案一、非门构成对称型多谐振荡器
对称型多谐振荡器原理：
(1) 静态（未振荡)时应是不稳定的

反馈电阻
耦合电容
反相器

此电路是由两个反相器及滑动变阻器经耦合电容C1连接起来的正反馈振荡电路，并设法使反相器工作在放大状态，即给他们设置适合的偏置电压,这个偏置电压可以通过在反相器的输出端与输出端之间接入反馈电阻来得到。
方案二、非门构成非对称型多谐振荡器
非对称型多谐振荡器原理：

保护电阻
反馈电阻
耦合电容
反相器

在方案一的电路中反相器G1输入端串接一个足够大的保护电阻R，则G1的输入电流可以忽略不计，即R远大于R（N）和R(P),非对称型多谐振荡器的输出波形是不对称的,当用TTL与非门组成时，输出脉冲宽度tw1═RC,tw2═1。2RC T═2.2RC,调节 R和C值,可改变输出信号的振荡频率,通常用改变C实现输出频率的粗调，改变电位器R实现输出频率的细调。

通过分析，结合设计电路性能指标、器件的性价比,本设计电路选择方案二.
三、单元电路设计与参数计算
T=2。2RFC
非对称式多谐振荡器由反相器，电阻和电容构成，非对称式多谐振荡器的组成框图3-1所示。
参数计算: 振荡周期为：
取频率为6KHz，电容值为0.1uf，可根据上述公式可得电阻阻值为750Ω

图3—1

四、总原理图及元器件清单
1．总原理图

2．元件清单
表1 元件清单
型号
主要参数
数量
74hc04
反相器
1个
电阻R1、R2
10K、750Ω
2个
开关

1个
电容
0。1uf
1个
导线

若干

五、仿真
仿真图：

仿真波形：

仿真结论：
在输入电压低于Vth时反相器的输入电流不能忽略不计，所以电容充、放电的等效电路略显复杂一些,而且输出电压波形的占空比不等于50%.
六、安装与调试
1.电路安装
安装是在设计的电路原理图的基础上进行排版布线，然后进行焊接。焊接所用到的仪器有：(1)、电烙铁(2）、焊锡丝（3)、铁架台和松香(4)、吸锡器
在焊接之前要用万用表测试所用元件的好坏，焊接好电路板之后，接入5v电源供电，并开始调试。
2.电路调试
如果电路不能正常工作，如：在示波器上没有显示，可检查电路板的连接电路是否连接正确以及焊接是否正确。
七、性能、功能测试与分析
1、.功能电路测试与分析
（1）测试步骤
1、接入5v电压源；
2、接好电路后，用示波器显示波形。
（2）测试数据
测试得到的波形周期为T=3。6格*0.05ms
3）误差计算
误差=（（0。18-0.16)/0。18)*100%=11.1%
(4）误差分析
接入的电阻值不可能是理想值，存在一定的误差,从而造成波形的周期与理论值周期有误差.
八、结论
电路由反相器U3A、U4B以及反馈电阻R2、保护电阻R1和耦合电容C1;通过时反相器工作在放大状态，这时只要反相器输入电压有点变化,就会被正反馈回路放大而引起震荡，此时电路是不稳定的。此电路可以通过调节R和C的值改变输出信号的振荡频率。

石英晶体和非门构成多谐振荡器：
一、设计任务与要求

1．要求多谐振荡器的工作频率稳定性更高；
2. 要求用石英晶体作为信号频率的基准

二、方案设计

此电路是由两个反相器及两个电容C1和一个晶振连接起来的正反馈振荡电
路，并设法使反相器工作在放大状态，即给他们设置适合的偏置电压,这个偏置电压可以通过在反相器的输出端与输出端之间接入反馈电阻来得到。由石英晶体的电抗频率特性可知：石英晶体的多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率f0，而与外接的电阻和电容无关。
非门和石英晶体构成多谐振荡器

四、总原理图及元器件清单
1．总原理图

2．元件清单
表1 元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
1
U3A、U4B

2个
2
R1、R2
1K
2个
3
X1
4MHZ
1个
4
C1、C2
0.05uf
2个

五、仿真

仿真结论：
石英晶体的多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率f0，而与外接的电阻和电容无关。
六、安装与调试
和非门构成的多谐振荡电路方法类似;
七、性能、功能测试与分析
1、.功能电路测试与分析
(1）测试步骤
1、接入5v电压源；
2、接好电路后,用示波器显示波形.
（2)测试数据
测试所得周期为T=4格＊55ns=0.22us
（3)误差计算
误差=（（0.22—0。25）/0.25)*100％=12%
5）误差分析
接入的电阻值不可能是理想值,存在一定的误差，从而造成波形的周期与理论值周期有误差，示波器仪器本身的因素，焊接不是特别好。
八、结论
在误差允许范围内，石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有频率，与外接电阻、电容无关，而由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定的,具有极高的稳定性。

555定时器构成多谐振荡器
一、 设计任务与要求
1.要求用555定时器构成多谐振荡器；
2。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态,电路亦不需要外接触发信号.
二、方案设计
下图的多谐振荡器由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器。脚2与脚6直接相连.电路没有稳态，仅存在两个稳态，利用电源通过R1、R2、向C充电，以及C通过R2向放电端Dc放电，使电路产生震荡，电容C在2/3Vcc和1/3Vcc之间放电和充电,从而在输出端得到一系列的矩形波。

三、单元电路设计与参数计算

多谐振荡器由555定时器和外接元件R1、R2、C四部分构成,多谐振荡器电路的组成框图3—1所示，555结构图为3-2.
电阻

555定时器
电容

图3—1 多谐振荡器的组成框图3—2 555结构

参数计算:
振荡周期T=（R1+2R2）CIn2，
电容充电时间T1=（R1+R2）CIn2,电容放电时间T2=R2CIn2，
脉冲占空比为q=T1/T=(R1+R2）/(R1+2R2)；
选择R1=R2=4.7K，C=O.1uf。
得出振荡周期T约等于1ms
四、总原理图及元器件清单
1．总原理图

图4-1 多谐振荡器电路

2．元件清单
表1 元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
1
R1、R2
4。7K
2个
2
C1、C2
100nf、10nf
2个
3
555定时器

1个
五、仿真
仿真图：

波形：

仿真结论：
通过改变R和C的参数可以改变振荡频率。
六、安装与调试
与上面一样
七、性能、功能测试与分析
1、.功能电路测试与分析
(1）测试步骤
1、接入5v电压源；
2、接好电路后，用示波器显示波形
（2）测试数据
测试得到的振荡周期为T=1.8格＊0。5ms=0。9ms
（3）误差计算
误差=(（1—0。8）/1。0)＊100%=20%
（4）误差分析
接入的电阻值不可能是理想值，存在一定的误差，从而造成波形的周期与理论值周期有误差,仪器本身问题,测量误差。
八、结论
多谐振荡器由555定时器和外接元件R1、R2、C构成,电路仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端Dc放电,使电路产生振荡，电容在充电和放电之间从而在输出端得到一系列的矩形波。外接元件的稳定性决定了多谐振荡的稳定性。

任务二：555定时器接成的单稳态触发器
一、设计任务与要求
1．要求由555定时器和外界定时元件R、C构成单稳态触发器；
2. 通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。
二、方案设计与论证
可重复触发:可重触发单稳态在暂稳态期间响应接收到的新触发信号，电路被重新触发，是暂稳态时间延续（即两个触发信号时间间隔小于暂稳态时间Tw）.
方案一：
下图由555定时器和外界定时元件R、C构成单稳态触发器。输出脉冲的宽度tw等于暂稳态的持续时间，而暂稳态持续时间取决于外接电阻和电容C的大小，tw等于电容电压在充电过程中从0到2/3Vcc所需要的时间。

方案二:
由555定时器和外界定时元件R、C构成单稳态触发器。D1为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平,内部放电开关管T导通，输出端V0输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到输入端，并使2端电位瞬时低于1/3Vcc，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。当Vc充电到2/3Vcc时,输出V0从高电平返回到低电平,放电开关管Td重新导通，电容C的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的到来做好准备。

通过分析，结合设计电路性能指标器件的性价比，本设计电路选择方案二。
三、单元电路设计与参数计算
单稳态触发器由微分电路、电阻、电容以及555定时器四部分构成，单稳态触发器的组成框图3-1所示。
555定时器
电容
电阻
微分电路

图3—1 单稳态触发器电路的组成框
参数的计算：
选择电阻阻值为R=6K、电容C=0。1uf;可得暂稳态时间tw=1.1RC=0。66ms
四、总原理图及元器件清单
1．总原理图

图4-1 单稳态触发器电路
2．元件清单
表1 元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
1
D1

1个
2
R1、R2
10K
2个
3
C1、C2、C3
100nf、100nf、10nf
3个
4
555定时器

1个
五、仿真
仿真图：

波形：

仿真结论：从所得波形可以看出，暂稳态时间只和外接的电阻和电容有关，与输入信号的频率无关。
六、安装与调试
与上面步骤类似；

七、性能、功能测试与分析
1、。功能电路测试与分析
(1）测试步骤
1、接入5v电压源;
2、接入输入脉冲信号,并将输出信号与示波器连接；
3、接好电路后，用示波器显示波形。
（2）测试数据
根本测试得到暂稳态时间tw=2.2格＊0.2ms=0。44ms
（3)误差计算
误差=((0。66-0。44）/0.66）*100%=33%
（4）误差分析
接入的电阻值不可能是理想值，存在一定的误差,电容也有比较大的误差,从而造成波形的周期与理论值周期有误差。
八、结论
555定时器和外界定时元件R、C构成单稳态触发器，。 且暂稳态时间只和外接的电阻R和电容C有关,即tw=1.1RC.暂稳态时间比充放电时间长

参考文献
【1】 阎石，数字电子技术基础，高等教育出版社,北京市西城区德外大街4号，2012年3月
【2】 曾祥华，许粮，曾祥志，电子技术实验教程，赣南师范学院出版社,赣州市章贡区赣南师范学院黄金校区，2013年9月