基于555定时器的脉宽调制电路

1、 14 / 14桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸引言 方波是一种非正弦曲线的波形，通常会于电子和讯号处理时出现。理想方波只有“高”和“低”这两个值。电流的波形为矩形的电流即为方波电流。因为方波可以快速从一个值转至另一个(即01或10)，所以方波就用作时钟讯号来准确地触发同步电路，此外方波信号在电子技术上具有较大应用，通过设计一个方波脉宽调制电路对研究方波产生的原理，加深方波基本参数的理解具有重大意义。1 设计任务及要求 1.1 设计任务利用电路分析基础、模拟电路、数字逻辑等专业基础课程所学知识，设计一个脉宽调制电路。1.2 设计要求电路输出矩形波；（1）输出频率范围：100Hz-5KH

2、z；（2）脉冲宽度可调范围：1%-99%；间隔：1%；（3）输出幅度：1-5V。1.3 电路特点由于电路要求不高，功能简单，设计的电路在满足设计要求的条件下具有结构简单，性能可靠，经济实用等特点。2 电路功能介绍及设计方案论证2.1 电路功能介绍根据设计任务及要求，电路主要功能为产生一个可以调节幅度、频率、占空比，输出稳定的方波信号，并且在调节方波的幅度、频率、占空比等参数时，不改变其他参数。2.2 电路工作原理获取矩形脉冲波形的途径一般有两种：一种利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲，另一种通过各种整形电路将已有的周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。根据设计任务及要求，采

3、用第二种途径获取幅度、频率、占空比均可调的矩形脉冲波。电路主要由多谐振荡器、微分电路、单稳态触发器三部分组成，电路利用多谐振荡器产生频率可调的矩形脉冲，利用单稳态触发器对产生的矩形脉进行整形，调节占空比。由于单稳态触发器要求输入脉冲宽度小于输出脉冲宽度，故在多谐振荡器和单稳态触发器之间加入微分电路，使多谐振荡器产生的脉冲宽度变窄。2.3 总体设计方案及论证2.3.1 总体设计方案由前文分析电路工作原理可知，电路主要由多谐振荡器、单稳态触发器、微分电路三部分组成。由数字逻辑课程所学知识知，有多种方法组成多谐振荡器或单稳态触发器，考虑到电路的可靠性及成本因素，设计的电路主要使用555定时器与外加元

4、件接成多谐振荡器和单稳态触发器，通过理论计算设置外加元件的电阻值、电容值，以满足设计要求，调节外接于555定时器的电阻来实现矩形脉冲的频率及占空比。同时在构成的多谐振荡器和单稳态触发器之间加上合适的微分电路，以满足单稳态触发器的工作条件。在输出端采用串联方式外接电阻箱，通过改变电阻箱阻值实现调节输出方波的幅度。2.3.2 设计方案论证（1）555定时器555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，利用555定时器能方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。555定时器成本低廉，性能可靠，在构成单稳态触发器和多谐振荡器时仅需外接少量电阻、电容，电路结构简单，方便制作。由于555定时器使

5、用灵活、方便，其在测量与控制、家用电器等许多领域得到广泛应用，属于常用芯片，方便获得。（2）用555定时器接成的多谐振荡器由图1所示，555定时器和外接元件R1、R2、C构成了多谐振荡器，555触发器的2脚与6脚直接相连，电路没有稳态，仅存在两个暂稳态。电源通过R1、R2向C充电以及C通过R2向放电端C1放电，电路产生振荡。电容C在1/3VCC到2/3VCC之间充电和放电，其波形如图2所示。输出信号的时间参数与外接的元件有关，如式（2. 1）、（2. 2）、（2. 3）所示 T=tw1+tw2 (2.1)tw1=0.7R1+R2C (2.2) tw2=0.7R2C (2.3)图1 多谐振荡器原

6、理图图2 多谐振荡器波形图由式（2. 1）、（2.2）、（2.3）知，可通过改变电阻R1、R2的阻值改变矩形脉冲的周期。（3）用555定时器接成的单稳态触发器如图3所示为由555定时器和外接元件R、C构成的单稳态触发器，稳态时555电路输入端出院电源点评，内部放电开关管T导通，输出端输出为低电平，当有一个外部负脉冲触发信号输入，并使2脚点位瞬时低于1/3VCC时，低电平比较器动作，单稳态电路开始一个暂缓过程，电容C开始充电，VC按指数规律增长。VC充电到2/3VCC是，高电平比较器动作，输出电压从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳态。图3 单稳态

7、触发器原理图暂稳态的持续时间tw由外接元件R、C的值决定，得到式（2. 4）。 tw=1.1RC (2.4)由式（2. 4）知，通过调节外接元件R、C可调节输出信号的暂态持续时间，从而达到调节输出信号占空比的目的。但单稳态触发器要求输入脉冲宽度一定要小于tw，故在前级输出端与单稳态触发器之间需要接入微分电路。综上，电路通过由555定时器及外加元件组成多谐振荡器产生频率可调的矩形脉冲，将多谐振荡器产生的矩形脉冲经微分电路后输入到由555定时器及外加元件组成的单稳态触发器上，可实现对输出矩形脉冲的占空比调节。电路由多谐振荡器和单稳态触发器两部分构成，分别完成对矩形脉冲信号频率、占空比的调节，且相互

8、之间不产生较大影响，满足设计要求，该方案具有可行性。3 电路设计及制作3.1 电路组成部分如图4所示，电路由多谐振荡器、单稳态触发器、微分电路三部分组成，以下将分别分析组成电路的三部分。图4 电路原理图3.1.1 多谐振荡器多谐振荡器的实际连接如图5所示，根据式（2.1）、（2.2）、（2.3）知在选定电容C1的值后，可通过改变R1或R2的大小来改变矩形脉冲频率。根据设计要求，要求输出的矩形脉冲信号周期T的范围为0.2ms<T<10ms，为方便获取元件，选择C1的值为0.1µF，通过式（2.1）、（2.2）、（2.3）计算得，要满足设计要求，可令R1=2.85K,R2=0

9、70K或令R1=0 140K,R2=1.43K。考虑到占空比P为P=tw1T=R1+R2R1+2R2=R1R2+1R1R2+2 (3.1)若令R1=2.85K,R2=070K，在通过调节R2阻值大小来实现对输出矩形脉冲信号的频率进行调节时，输出的矩形脉冲信号占空比变化较大，不利于后一级单稳态触发器对占空比的调节，故在实际电路中令R1=0 140K,R2=1.43K，同时由于电阻值一般为离散的，在选用元件时R1选用0200 K变阻器, R2选用1.1 K电阻。图5 电路中的多谐振荡器3.1.2 单稳态触发器单稳态触发器的实际连接如图6所示，根据式（2.4）知在选定电容C的值后，可通过改变R的大小

10、来改变矩形脉冲的占空比。根据设计要求，要求输出的矩形脉冲信号占空比调节范围为199，在多谐振荡器输出矩形脉冲信号频率最大，即T=0.2ms时，单稳态触发器的输出脉宽tw 的范围为0.002ms<tw<0.198ms；同理，在多谐振荡器输出矩形脉冲信号频率最大，即T=10ms时，tw 的范围为0.1ms<tw<9.9ms。根据式（2.4）理论计算，在选定外接电容C的值后（C=0.1µF），R的取值范围为1890K，在实际电路中使用一个小电阻与一个调节范围为0100 K的电阻串联来代替电阻R。图6 电路中的单稳态触发器3.1.3 微分电路由于单稳态触发器要求输入的

11、触发信号一定要小于输出矩形脉冲的宽度tw，因此在单稳态触发器和多谐振荡器之间接入微分电路，如图7所示，微分电路对多谐振荡器的输出脉冲进行处理，将其脉冲宽度变窄，以满足单稳态触发器的工作条件。图7 电路中的微分电路3.2 电路仿真测试完成电路设计及理论计算后需要在电路仿真软件上进行仿真测试，以检验电路各部分结构是否按要求进行工作，同时验证电路功能是否能实现。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。在制作PCB之前利用该软件进行电路仿

12、真测试，仿真测试电路如图8所示。图8 仿真电路完成仿真测试电路的连接后，分别调节变阻器R1、RP2的阻值，改变矩形脉冲信号的频率和占空比，同时使用示波器观察多谐振荡器、微分电路和单稳态触发器的输出波形，其中示波器1（XSC1）的A通道接电路输出端，观察电路产生的矩形脉冲，B通道接多谐振荡器的输出端，示波器2的A通道接微分电路输出端，观察多谐振荡器输出的矩形脉冲信号经微分电路后的变化情况。通过仿真测试发现，调节变阻器R1、RP2的阻值可分别改变矩形脉冲的频率和占空比，调节R1可调整矩形脉冲的频率，调节RP2可调整矩形脉冲的占空比，但由于软件中变阻器阻值离散，未能完全调出两个极限情况，但通过改变R

13、2、R4的阻值逼近发现该电路基本能满足实验设计要求，仿真测试电路示波器显示结果如图9所示。 （a）微分电路输出图形 （b）高频率时的矩形脉冲图形 （c）低频率时矩形脉冲具有较小占空比 （d）低频率时矩形脉冲具有较大占空比图9 电路仿真结果3.3 电路原理图的绘制设计的电路经过电路仿真软件的检验后达到设计要求，后利用Altium Designer绘制电路原理图，利用Altium Designer常用元件库中所带器件绘制的电路原理图如图4所示，在完成原理图的绘制工作后进行检查，确保电路连接无误后进行电路PCB图的绘制。选择电路所需元件封装后生成PCB图，完成元器件布局、布线规则、导线宽度、导线宽度

14、、焊盘大小等设置后使用Altium Designer软件的自动布线功能对各元件进行连接，最终完成PCB图的绘制，如图10所示。图10 电路PCB图4 电路调试及结果4.1 电路调试步骤及数据记录（1）电路接入5V直流稳压电源，电路输出端接示波器，观察波形是否正确。（2）调节滑动变阻器RP1，使电路输出的矩形脉冲信号频率达到最低，尽量接近100Hz，用万用表测变阻器RP1的阻值，同时通过示波器观察此时矩形脉冲的频率，记录数据。（3）调节滑动变阻器RP2，使电路输出的矩形脉冲信号占空比达到最小和最大，用滑动万用表测变阻器RP2的阻值，使用示波器测量矩形脉冲信号占空比的大小，记录以上数据。（4）调节

15、滑动变阻器RP1，使电路输出的矩形脉冲信号频率达到最高，重复（1）、（2）中的步骤。（5）完成测试后将所测数据同理论值相比较，寻找相差原因。4.2 电路调试遇到问题及解决方法（1）在调节输出矩形脉冲频率及占空比时两者出现相互影响。在调试电路时，调节输出矩形脉冲频率及占空比时两者出现相互影响的情况：如在要求输出矩形脉冲为高频率较时，调节波形占空比时会影响输出频率，高占空比时频率低。经分析，由于电路最后输出波形为单稳态触发器的输出波形，在调节占空比时变阻器的阻值过大会导致单稳态触发器输出波形的暂态时间tw过大，大于多谐振荡器输出矩形脉冲的周期时，最终出现调节输出矩形脉冲频率及占空比时两者出现相互影

16、响的现象。为解决以上问题，在调试电路时需要实时测量两个滑动变阻器RP1、RP2的阻值，同时在测量输出波形时使用示波器B通道测量多谐振荡器的输出波形，便于调节。（2）矩形脉冲在低频率输出时有毛刺，在高频率输出时波形失真。电路在低频率输出时出现毛刺，在高频率输出时波形出现失真，为保证波形完好，需要外加波形整形电路，可在电路输出端接入一个合适的施密特触发器进行波形整形。4.3 电路调试结果制作好电路板后，按调试步骤进行电路板调试，记录调试结果记录在表1中，结果记录如下：表1 电路调试数据记录表最低频率 f=357Hz最高占空比88RP1101.61KRP2102 K最低占空比4RP1101.61KR

17、P20.53K最高频率 f=8.02KHz最高占空比92.7RP10.20KRP21.34K最低占空比2RP10.20KRP20K5 结论本次课程设计按照设计要求进行总体设计，经方案论证确保方案可行性后使用基于555定时器接成的单稳态触发器、基于555定时器接成的多谐振荡器以及微分电路构成电路系统，实现了脉宽信号频率、占空比的调制功能，其中在最低频率357Hz下占空比可调范围为488，在最高频率8.02KHz下占空比可调范围为292.7，基本满足设计要求。谢 辞本次课程设计得以完成，要感谢指导老师黄喜军，在进行课程设计期间，黄老师悉心指导，黄老师在电路设计、方案论证等关键阶段给予了很大关注，保证了课程设计方向的正确，在调试电路遇到问题时，老师给予了极大帮助，提供了多种解决问题的思路，培养了学生独立思考的能力，同时锻炼了学生发现问题，分析问题，解决问题的能力。参考文献1 康华光.电子技术基础模拟部分M.北京：高等教育出版社，2006：5862.2 康华光.电子技术基础模拟部分M.北京：高等教育出版社，2006：462