1、项目七 基于 NE555 简易报警器的实现项目七 基于 NE555 简易报警器的实现项目描述项目描述 项目分析项目分析任务任务 1 555 定时器定时器任务任务 2 施密特触发器施密特触发器任务任务 3 多谐振荡器多谐振荡器 任务任务 4 单稳态触发器单稳态触发器软件仿真软件仿真 555 定时电路的计算机仿真实验定时电路的计算机仿真实验项目实施项目实施 小结小结 习题习题项目七 基于 NE555 简易报警器的实现项目描述项目描述用时基集成电路 NE555 设计一个简易报警器。报警器工作所需的触发信号由开关进行模拟,在开关闭合时报警器发出连续声音报警信号,报警信号频率为 1000Hz。项目七 基
2、于 NE555 简易报警器的实现项目分析项目分析报警器可采用声音报警、光报警和无线电信号报警。本项目的任务是设计发出连续声音的报警器,把电信号转化为声音信号的部件有扬声器(喇叭)和蜂鸣器。本设计任务的原理框图如图 71 所示,其中传感器及信号调理电路的原理和设计超出本课程的研究范围,在实现上可采用开关进行模拟。报警信号产生电路可输出正弦信号,也可输出脉冲信号,前者属于模拟电路的范围,在此不作考虑。本设计中,报警信号产生电路输出脉冲信号,用 NE555 定时器构成多谐振荡器加以实现,振荡信号频率为 1000Hz,其输出经三极管驱动,由扬声器发出声音信号。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现
3、图 71报警器原理框图项目七 基于 NE555 简易报警器的实现本单元将重点介绍脉冲信号的产生与波形变换。脉冲信号具有广泛的用途,所用到的电路称为脉冲单元电路,它是数字系统的重要组成部分。什么是脉冲信号呢?广义上讲,所有的非正弦信号都可以称为脉冲信号。脉冲信号按波形的不同,可分为矩形波、梯形波、阶梯波、三角波、锯齿波等。矩形波是数字系统最常用的信号,波形的好坏直接影响系统的性能。为了描述矩形波,常使用以下参数(图 72)。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现图 72项目七 基于 NE555 简易报警器的实现(1)脉冲幅度 U m:指脉冲波形中电压幅度变化的最大值。(2)脉冲宽度 T w:
4、正脉冲宽度 T wh 从波形上升沿 0.5U m 开始到波形下降沿 0.5U m 结束;负脉冲宽度 T wl 从波形下降沿 0.5U m 开始到波形上升沿 0.5U m 结束。(3)上升时间 t r:脉冲波形从上升沿的 0.1U m 上升到 0.9U m 所需的时间。(4)下降时间 t f:脉冲波形从下降沿的 0.9U m 下降到 0.1U m 所需的时间。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现(5)脉冲周期 T:在周期性重复波形中,相邻两个脉冲间的时间间隔。(6)占空比 q:正脉冲宽度与周期之比,即项目七 基于 NE555 简易报警器的实现任务任务 1 555 定时器定时器555 定时器
5、(时基电路)是一种用途广泛的模拟数字混合集成电路,于 1972 年由西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制,其设计新颖、构思奇巧,备受电子专业设计人员和电子爱好者青睐。它是一种结构简单、使用灵活、用途广泛的集成电路。因而 555 定时器在控制、定时、检测、报警等方面有着广泛应用,具有如下三个特点:项目七 基于 NE555 简易报警器的实现(1)外部连接几个阻容元件便可以方便地构成施密特触发器、多谐振荡器、单稳态触发器和压控振荡器等多种应用电路。(2)电源电压范围宽(318V),能够提供与 TTL 及 CMOS 集成电路兼容的逻辑电平。(3)具有一定的输出功率,可驱动微电机、指示灯和扬声器等
6、。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现7.1.1 芯片的电路结构芯片的电路结构555 定时器 有 TTL 型和 CMOS 型两 类产品,TTL 型产品型 号 最 后 三 位 为 555,CMOS 型产品型号最后四位为 7555。它们的功能和外部引脚排列完全相同。该器件的内部结构如图 73(c)所示,它由三个 5k 电阻构成的电阻分压器、两个高精度电压比较器、基本 RS 触发器和泄放三极管 VT 组成。其中,图(a)、(b)、(d)分别为实物图、逻辑符号图和引脚排列图。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现图 73 555 定时器项目七 基于 NE555 简易报警器的实现图 73 55
7、5 定时器项目七 基于 NE555 简易报警器的实现7.1.2 芯片的功能芯片的功能555 定时器的 8 个引脚(PIN)的名称及作用如下:项目七 基于 NE555 简易报警器的实现项目七 基于 NE555 简易报警器的实现项目七 基于 NE555 简易报警器的实现任务任务 2 施密特触发器施密特触发器施密特触发器符号如图 74 所示,施密特触发器是数字系统中比较常用的一种电路,它有两个稳定的状态,是由电平触发的双稳态电路。利用其电平触发的特性可以将正弦波、三角波、不规则(失真)的矩形波等变换为矩形波,也可以作为鉴幅器来使用。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现图 74施密特触发器符号项
8、目七 基于 NE555 简易报警器的实现7.2.1 施密特触发器的特点施密特触发器的特点施密特触发器有两个稳态(U o=0 称为 0 态,U o=1 称为 1 态),在外加信号的作用下,施密特触发器两个稳态之间可以相互转换,具有回差特性(触发电平有差值)。施密特触发器属于波形变换电路,可以将正弦波、三角波、锯齿波等变为脉冲信号。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现项目七 基于 NE555 简易报警器的实现7.2.2 由由 555 定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器1.电路结构电路结构将 555 定时器的阈值输入端 TH 和触发输入端 TR 连接在一起作为输入,输出端 Q 作
9、为输出(或放电端 DIS 通过上拉电阻作为输出),便可构成施密特触发器,如图 75(a)所示。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现图 75 555 定时器构成施密特触发器项目七 基于 NE555 简易报警器的实现2.工作原理工作原理项目七 基于 NE555 简易报警器的实现(3)555 定时器构成的施密特触发器的电路仿真结果如图 7-6 所示。图 7-6施密特触发器仿真电路及结果项目七 基于 NE555 简易报警器的实现7.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用利用施密特触发器的回差特性,可完成波形的整形、波形的变换和幅度鉴别等功能。(1)脉冲整形。如果输入是正弦波或发生畸变的矩形
10、波等,都可以通过施密特触发电路进行整形,获得较为理想的矩形波。其工作波形如图 77(a)所示。(2)幅度鉴别。幅度鉴别是从一连串幅度不等的脉冲波形中,选出幅度较大的脉冲的电路。利用施密特触发器可以实现这一目的,如图 77(b)所示的工作波形是幅度鉴别器将幅度大于 V T+的脉冲从波形中选出的过程。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现图 77 施密特触发器的应用项目七 基于 NE555 简易报警器的实现(3)555 定时器构成的施密特触发器用作光控开关。图 78 所示电路为 555 定时器构成的施密特触发器用作光控开关的电路图。图中的 R L 为光敏电阻,有光照时电阻值小,无光照时阻值大。
11、有光照时,电路设计(选取合适的可变电阻值)使得输出 U o 为高电平,继电器 J 不动作;无光照时,光敏电阻大,电路设计使得输出 U o 为低电平,继电器 J 吸合,从而实现光控的作用。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现图 78 施密特触发器用作光控开关项目七 基于 NE555 简易报警器的实现任务任务 3 多多 谐谐 振振 荡荡 器器多谐振荡器是一种产生矩形波的自激振荡器。由于矩形波含有丰富的高次谐波成分,所以矩形波振荡器又称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳定状态,只有两个暂态(暂时稳定状态),不需要外加触发信号,就能够周期性地从一个暂态转到另一个暂态,产生幅度和宽度都一定的脉冲信号。
12、当 555 定时器按如图 79(a)所示电路连接时,就构成了自激多谐振荡器,其中,R A和 R B 是外接电阻,C 是外接电容。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现图 79 555 构成的多谐振荡器项目七 基于 NE555 简易报警器的实现项目七 基于 NE555 简易报警器的实现图 710 输出频率、周期与电阻、电容的关系项目七 基于 NE555 简易报警器的实现由 R、C 的充放电过程及 U C 的波形可得所以例如:想产生频率为 1kHz 的信号,即周期 T 为 1ms。根据上面的公式和图 79,如果电容 C 取 0.22 F,那么 R A+2R B 为 6.5k,则可以将电阻 R
13、A 选为 2.5k,电阻 R B选为 2k。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现任务任务 4 单稳态触发器单稳态触发器7.4.1 单稳态触发器的特点单稳态触发器的特点单态触发器是一种用于整形、延时、定时的脉冲单元电路,它具有如下特点:(1)有一个稳定状态和一个暂时稳定状态(简称暂态)。(2)在外加脉冲信号的作用下,电路由稳态转变为暂态。(3)暂态持续一段时间后,电路自动返回到稳定状态。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现7.4.2 由由 555 定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器555 定时器构成的单稳态触发电路如图 711(a)所示。图 711 555 定时器构成的
14、单稳态触发电路项目七 基于 NE555 简易报警器的实现项目七 基于 NE555 简易报警器的实现其工作波形如图 711(b)所示。暂态脉宽 T w 为单稳态触发仿真电路如图 712(a)所示,其中 R=1k,C=1 F,输入信号 U i 幅度为 5V、频率为 500Hz、占空比为 80%。理论计算 T w 1.1RC=1.1ms,实验结果测试如图 712(b)所示,输出信号暂态脉宽 T w 1.1RC=T 2-T 1=1.1ms 项目七 基于 NE555 简易报警器的实现图 712 555 定时器构成的单稳态触发仿真电路项目七 基于 NE555 简易报警器的实现7.4.3 单稳态触发器的应用
15、单稳态触发器的应用利用单稳态触发电路在外加信号作用下由稳态转换到暂态,暂态持续一定时间后电路自动恢复到稳态的特点,可将其用作波形的整形、定时和延时。实际应用中常见的红外控制水龙头、声控楼梯灯等都是单稳态的典型应用。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现 1.脉冲整形脉冲整形单稳态触发器输出的矩形波暂态脉冲宽度取决于电路自身的参数,输出脉冲幅度取决于触发器的电源。因此单稳态电路输出矩形波暂态脉冲的宽度和幅度是一致的。若某脉冲波形不符合要求,可以用单稳态触发器进行整形,得到暂态脉冲宽度和幅度一致的脉冲波形,如图 713 所示。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现图 713项目七 基于 N
16、E555 简易报警器的实现 2.定时定时利用单稳态电路输出脉冲宽度 T w 一定的特性,也可以实现定时作用,即用计时开始信号去触发单稳态触发器,经 T w 时间后,单稳态触发器便可给出计数停止信号。单稳态定时器还可用于控制定时开关,如楼梯灯定时等。3.延时延时利用单稳态电路输出脉冲宽度 T w 一定的特性,也可以实现延时作用。输出脉冲比输入脉冲滞后 T w 时间出现,如图 714 所示。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现图 714项目七 基于 NE555 简易报警器的实现软件仿真软件仿真555 定时电路的计算机仿真实验定时电路的计算机仿真实验1.在 Multisim 软件上利用 555
17、 定时器设计波形产生电路(多谐振荡器)。要求:(1)由 555 定时器构成多谐振荡器,电路按图 79 所示电路连接,图中 R A=10k,R B=100k,C=0.1 F,V CC=5V。(2)测量负脉冲宽度 T wl、正脉冲宽度 T wh、占空比 q、频率 f。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现(3)分析测量值与理论值产生误差的原因。555 定时器构成的多谐振荡器的仿真电路如图 715 所示。2.在 Multisim 软件上利用 555 定时器设计施密特电路。要求:(1)由 555 定时器构成施密特电路,如图 76 所示,图中输入 U i 为三角波,V CC=5V。(2)用示波器观察
18、输入、输出波形。(3)用示波器观察 U i输入不同波形时的输出项目七 基于 NE555 简易报警器的实现图 715 55 定时器构成多谐振荡器的仿真电路项目七 基于 NE555 简易报警器的实现项目实施项目实施由 555 定时器和三极管构成的报警电路如图 716 所示。其中,555 构成多谐振荡器,振荡频率 fo=1.43/(R1+2R 2)C 1),振荡信号的输出为方波,输出高电平时间 T w1=0.7(R 1+R 2)C 1,输出低电平时间 T w2=0.7R 2 C 1,其输出信号经三极管推动扬声器。复位端 R 为控制信号输入端,可以接各种传感器的输出,异常时 R 为高电平,则 555
19、定时器的复位端为高电平,多谐振荡器工作发出报警;正常时 R 为低电平,则 555 定时器的复位端为低电平,电路停振。+5V 电源由 J 1 引入,各种传感器信号由 J 2引入。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现电路参数的估算与调整:如 f0=1kHz,则(R 1+2R 2)C 1=1.4310-3(s);令 C 1=0.1 F,则 R 1+2R 2=14.3103();令 R 2=4.7103(),则 R 1=4.9103(),为便于频率调整,R1 一般由固定电阻与可调电阻串联构成。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现小小 结结脉冲信号的产生与整形电路主要包括多谐振荡器、单稳态触
20、发器和施密特触发器,多谐振荡器用于产生矩形波脉冲信号,而单稳态触发器和施密特触发器主要用于对波形进行整形和变换,它们都是电子系统中经常使用的单元电路。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现1.555 定时器定时器555 定时器是一种多用途的集成电路,它把模拟电路和数字电路兼容在一起,只需外接少量阻容元件便可组成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器。此外,它还可组成其他各种实用电路。由于 555 定时器使用方便、灵活,有较强的带负载能力和较高的触发灵敏度,因此,它在自动控制、仪器仪表、家用电器等诸多领域都有广泛的应用。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现2.施密特触发器施密特触发器施
21、密特触发器有两个稳定状态,它的两个稳定状态是靠两个不同的输入电平来维持的,因此具有回差特性。只有当输入信号电平处于回差范围内时,电路才能保持状态,电路输出脉冲的宽度是由输入信号所决定的。调节回差电压的大小,可改变输出脉冲的宽度。施密特触发器不仅可将非矩形波变换成矩形波,而且还可以将脉冲波形展宽、延时和进行脉冲幅度的鉴别。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现3.多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器没有稳定状态,只有两个暂稳态。暂稳态间的相互转换完全是靠电路本身电容的充电和放电自动完成的。因此,它无需外加触发信号,只要接通电源,就可产生连续的矩形波脉冲信号,常用作信号源。改变 R、C 定时元件数值
22、的大小,可调节振荡频率。在振荡频率稳定性要求很高的情况下,可采用石英晶体振荡器。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现4.单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器有一个稳定状态和一个暂稳态。可将输入触发脉冲变换为一定宽度的输出脉冲,输出脉冲的宽度(暂稳态持续时间)仅取决于电路本身的参数(R、C 定时元件的数值),而与输入触发信号无关,输入信号仅起触发作用,使触发电路进入暂稳态。改变 R、C定时元件的参数值,可调节输出脉冲的宽度。单稳态触发器不仅用于波形变换,还可用作对脉冲的展宽、延时、整形等。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现习习 题题71 施密特触发器电路的特点及用途是什么?72 5
23、55 定时器构成的施密特触发器,当 V CC=6V 时,其 V+T、V-T 及回差 V 各是多少?项目七 基于 NE555 简易报警器的实现73 555 定时器构成的施密特触发器如题 73 图所示,试画出输出波形。题 73 图项目七 基于 NE555 简易报警器的实现 74 多谐振荡器的特点是什么?75 多谐振荡器有哪些用途?试举出三种以上用途。76 单稳态电路的工作特点及用途是什么?77 电路如题 77 图所示,计算输出信号的周期。78 试分析题 78 图所示电路:(1)画出 CP 1 的波形周期。(2)画出与对应 CP 1 的 Q A、Q B、Q C 一个计数周期的波形。项目七 基于 NE555 简易报警器的实现题 77 图项目七 基于 NE555 简易报警器的实现题 78 图
