1、555 构成多谐振荡器的报警电路设计一、 设计目的555 定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成 555 定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。本实验根据 555 定时器的功能强以及其适用范围广的特点，设计实验研究它的内部特性和简单应用。555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555， 555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出
2、驱动电流约为200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压 VCC /3 和 2VCC /3 图 8-1 555 定时器内部方框图通过对本次设计能够更好地掌握 555 的作用及应用。同时掌握报警电路的原理及设计方法。二、 设计要求 画出电路原理图（或
3、仿真电路图） ； 元器件及参数选择； 电路仿真与调试； PCB 文件生成与打印输出。（3）制作要求 自行装配和仿真，并能发现问题和解决问题。（4）编写设计报告 写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。三、 设计原理多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故 称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之 间来回转换，故又称它为无稳态电路。由 555 定时器构成的多谐振荡器如图 1 所示，R1，R2 和 C 是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6 脚） 和低电平触发端（2 脚）并接后接
4、到 R2和 C 的连接处，将放电端（7 脚）接到 R1，R2 的连接处。由于接通电源瞬间，电容 C 来不及充电，电容器两端电压 uc 为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平，输出uo 为高电平，放电管 VT 截止。这时，电源经 R1，R2 对电容 C 充电，使 电压 uc 按指数规律上升，当 uc 上升到（ 2/3）Vcc 时，输出uo 为低电平，放电管 VT 导通，把 uc 从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc 这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间 TPH 的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数 T 充=（R1 R2）C 。不难理解，接通
5、电源后，电 路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc 电压总是在（1/32/3 ）Vcc 之间变化。图 1（b）所示为工作波形。图 1 555 定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形 图 1（1）组成施密特触发器电路如图 8-7 所示，只要将脚 2 和 6 连在一起作为信号输入端，即得到施密特触发器。图 8-8 画出了 、Vi 和 Vo 的波形图。设被整形变换的电压为正弦波 ，其正半波通过二极管 D 同时加到 555 定时器的 2 脚和六脚，得到的 Vi 为半波整流波形。当 Vi 上升到 时，Vo 从高电平转换为低电平；当 Vi 下降到 时，Vo 又从低电平转换为高电
6、平。回差电压：V=图 8-7 555 构成施密特触发器 图 8-8 555 构成施密特触发器的波形图（2）555 构成多谐振荡器 由 555 定时器和外接元件 R1、R 2、C 构成多谐振荡器，脚 2 与脚6 直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过 R1、R 2向 C 充电，以及 C 通过 R2向放电端 放电，使电路产生振荡。电容 C 在 和 之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图 8-5 所示。图 8-4 555 构成多谐振荡器 图 8-5 多谐振荡器的波形图输出信号的时间参数是： T=0.7（ R1+R2）C=0.7R2C其
7、中， 为 VC由 上升到 所需的时间， 为电容 C 放电所需的时间。555 电路要求 R1 与 R2 均应不小于 1K，但两者之和应不大于 3.3M。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555 定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。一般多谐振荡器的工作过程可分为以下四个阶段:(1) 暂稳态 I(Otl): 电容 C 充电 , 充电回路为 VDD R1 R2 C 地 , 充电时间常数为 为 1=(R1+R2)C, 电容 C 上的电压 uc 随时间 t 按指数规律上升 , 此阶段内输出电压 uo 稳定在高电平. (2) 自
8、动翻转 I(t=tl): 当电容上的电压 uc 上升到了 VDD 时 , 由于 555 定时器内 S=0,R=1, 使触发器状态 Q 由 1 变为 0, 由 0变成 1, 输出电压 uo 由高电平跳变为低电平 , 电容 C 中止充电.(3) 暂稳态 (t1t2): 由于此刻=1, 因此放电管 V 饱和导通 , 电容 C 放电 , 放电回路为 C R2 放电管 V 地 , 放电时间常数 2=R2C( 忽略 V 管的饱和电阻 ), 电容电压 uc 按指数规律下降 , 同时使输出维持在低电平上。(4) 自动翻转(t=t2): 当电容上的电压 uc 下降到了 VDD 时 , 由于 555 定时器内 S
9、=1,R=0, 使触发器状态 Q 由 0 变为 1, 由 1变成 0, 输出电压 uo 由低电平跳变到高电平 , 电容 C 中止放电.由于=0, 放电管截止 , 电容 C 又开始充电 , 进入暂稳态 I.以后 , 电路重复上述过程 , 电路没有稳态 , 只有两个暂稳态 , 它们交替变化 , 输出连续的矩形波脉冲信号。四、 实验元器件LM555H（定时器） LAL-BARGRAPH(条形光柱报警) Key=Space(开关) 及一些必要的电阻、电容及相关电源U2LVL_BARGRAPH10 V U1LM555CMGND1DIS7OUT 3RST4VCC8THR6CON5TRI2J1Key = S
10、pace五、 实验电路图U1LM555CMGND1DIS7OUT 3RST4VCC8THR6CON5TRI2R14.7k R21kR35.1kC1100nFC247nFR4510R5510V112 V J1Key = Space C3100uFQ12N2712U2LVL_BARGRAPH10 V 125364 789 0六、 设计结果开关 J1 是控制多谐振荡器工作与停止，J1 断开，多谐振荡器工作，反之，电路停止振荡。且当多谐振荡器工作时，条形光柱要出现短暂报警。七、 实验总结通过 Multisim 软件，不仅提供了电路原理图输入和硬件描述语言模型输入的接口和比较全面的仿真分析功能，同时还提
11、供了一个庞大的元、器件模型库和一整套虚拟仪表。因此，可以很方便的实现计算机仿真和虚拟实验，与传统的实验方法相比，通过 Multisim 仿真可以看出，设计与实验可以同步进行，且修改电路容易，连线也比较直观。其观察结果也比较方便。但在做本次实验时，最开始安了一个扬声器，但是没有发出声音，但在我将它改成条形光柱报警时，它就能够正常报警了，所以在调试电路的时候，对我们的解决问题的能力有所提高。同时，也让我们对其理论知识有所了解和认识。让我们对像这样的知识有了更好的认识及掌握。八、 参考文献蒋卓勤、邓玉元主编的 Multisim2001 及其在电子设计中的应用 西安电子科技大学出版社 2003.10阎石主编，清华大学电子学教研组编的数字电子技术基础（第五版） 高等教育出版社 2006.5（2009 年重印）
