实验07555定时器及其应用1

1、实验七 555定时器及其应用、实验目的1熟悉并掌握555时基电路的工作原理；2熟悉并掌握555构成的单稳态触发器、多谐振荡器、占空比可调的多谐振荡器三种典型电路结构及工作原理；3.学会应用555时基集成电路。、实验任务(建议学时：4学时)(一)基本实验任务1. NE555构成的单稳态触发器逻辑功能测试；2. NE555构成的多谐振荡器及参数测试；3. NE555构成的占空比可调的多谐振荡器及参数测试;(二)扩展实验任务()1. 555 构成的脉冲宽度调制(PW Pulse Width Modulation)器。2. 利用555时基电路设计一个驱动电路，能够实现对LED灯的亮度调节。3. 利用5

2、55时基电路设计一个线性斜坡电压(Lin ear Ramp )发生器。三、实验原理1. 555定时器又称为时基电路，由于它的内部使用了三个5K的电阻，故取名555。gndTRIG out RESETI 00 卜 9 S |7)NE5551I L CXI CO 寸 1VccDISCH THRES CONT(a)引脚排列(b )内部框图图8-1NE555弓I脚排列及内部框图NE555引脚功能说明：GND :电源地；TRIG :触发端；OUT :输出端；RESET :清零端，低电平有效；CONT :控制端；THRES :阈值电压输入端；DISCH :放电端；Vcc :电源正极;555 定时器集成芯片

3、型号很多， 例如 LM555、NE555、SA555、CB555、ICM7555、LMC555等等，尽管型号繁多，但它们的引脚功能是完全兼容的，在使用中可以彼此替换， 大多数双极型芯片最后3位数码都是555，大多数CMOS型芯片最后4位数码都是7555（还有部分 定时器芯片的命名采用 C555来表示CMOS型555定时器，例如 LMC555 ）。另外，还有双 定时器型芯片双极型的 556和CMOS型的7556、四定时器 NE558。555的引脚排列和内部框图见图8-1，556的引脚排列见图 8-2。1D1SCH 1T714J vcc1THRES 2132DISCH1CONT 3122THRES

4、1RESETL4112CONTiout5102RESETitrig692OUTgnd782TRIG图8-2NE556双定时器引脚排列2. 双极型与CMOS型555定时器芯片的区别1） 双极型555定时器工作电压范围 515V，其驱动能力强，最大负载电流达土 200mA , 其构成的多谐振荡器工作频率较低，极限大约为300kHz （不同厂商生产的 555定时器其最高振荡频率不一定相同，具体值需要通过查阅厂商提供的芯片参数手册）；2）CMOS型555定时器工作电压范围 316V ,其驱动能力弱，最大负载电流仅有土 4mA ,其构成的多谐振荡器工作频率较高，可达500kHz （不同厂商生产的 555

5、定时器其最高振荡频率不一定相同，具体值需要通过查阅厂商提供的芯片参数手册）；由于CMOS型的555定时器驱动能力很弱，因此，使用 CMOS型的555定时器时，当 负载工作电流最大值超过土 4mA时，需要在CMOS型555定时器的Out端和负载之间加一 级缓冲电路以提高 CMOS型555定时器的驱动能力。注意，这里的负载电流正负表示的含义为：负载电流为正时，表示电流由Out端流出，负载电流为负时，表示电流流入Out端。（一）基本实验任务1. 555构成的单稳态触发器R JLiCkO，nF 土占etwnRSTOUTUoDISTHRuiTRICONGND叩输入输出ResetThresTrigOutD

6、isch0XX0导通12> Vcc31> Vcc30导通12v Vcc31> Vcc3保持保持12v Vcc31V Vcc31截止12> Vcc31< Vcc31截止表8-1 555逻辑功能表图8-3单稳态触发电路555构成的单稳态触发电路如图8-3电路所示，当555的触发端TRI施加一触发信号，1TRI端的电压V Vcc, 555被触发，进入暂态，其Out端输出一个高电平，同时DIS放电3一 2端截止，5V电源通过R对C进行充电，当 C两端电压由0V充电至一Vcc时，Out端输3出高电平翻转为低电平，同时电容C通过导通的DIS放电端放电至0V，电路进入稳态，为下

7、一次触发脉冲的到来做好准备。图8-3单稳态触发电路的暂态持续时间tw 1.1RC （ R单位K Q , C单位uF，则t的单位为ms）,若Ui端输入一个时钟脉冲信号 CP,则图8-3单稳 态触发器电路可作为分频器使用，tw应满足NT-0.5T < twV NT,其中N为分频数，T为时钟脉冲CP周期，TRI端每输入N个脉冲，Out端就输出一个宽度为t1=NT-tw的低电平信号。2. 555构成的多谐振荡器555构成的多谐振荡器如图 8-3电路所示，假设1上电前电容C两端电压Vc为零，上电后Vc V Vcc ,3DIS端截止，5V电源通过 R1、R2给C充电，Out2端输出高电平，当C两端电

8、压充电至 Vc> Vcc时，3Out端高电平翻转为低电平，同时电容C通过R2经1导通的DIS端到地放电，直至Vc再次w - Vcc, DIS3端截止，5V又重新通过 R1和R2对C充电，Out端丄R2 10kQC p100 nF5V476R110kQVCCRSTDISTHROUTTRIU1CONNE555GND25110nF C1图8-4多谐振荡器3.占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器如图8-5所示，它是在图8-4多谐振荡器电路的基础上利用两 个二极管Di和D2将C的充电回路和放电回路 隔离开，电容充电期间Uo为高电平，其高电平保持时间记为ton，则ton=( Ri+RpA)C

9、ln2， 电容放电期间Uo输出低电平，其低电平保持 时间记为toff=( R2+RPB)Cln2，OUT端输出的 方波周期 T=t°n+t°ff=(R1+Rp+R2)CIn2。由图8-5充放电过程分析可知，调节 Rp 可以改变RPa和RPb的比值，从而实现对 ton 和toff的改变，但R1 + RP+R2始终保持不变，故图8-5占空比可调的多谐振荡器T=ton+toff也不变。这里占空比用q表示，其定义式为：q=5，当电路中的C保持不变，则占空比q表达式还可写为：q= 尺 RpaT尺 + Rp + R2最小占空比qmin=1，最大占空比R + RP 十 R2qmax=R1

10、RpRRpR2(二)扩展任务1. 555 构成的脉冲宽度调制( PW Pulse Width Modulation )器。5V(a)电路原理图(b) Ui波形图图 8-6 PWM 调制器（Ui 1kHz，2Vpp）555构成的脉冲宽度调制器简称PWM如图8-6所示，在图8-4多谐振荡器电路中将 5脚与地之间的C1去掉，并在5脚（CON端）输入一个如图8-6（b）所示的正弦波，则555的OUT端输出方波信号的占空比受CON端输入的正弦信号调制， 方波信号的占空比按正弦规律变化。Uo、Ui、Uc波形如图8-6（ c）图所示2. 利用555时基电路设计一个驱动电路，能够实现对LED灯的亮度进行调节。

11、当LED正常发光时，其两端电压（正向压降Uf）基本保持不变，不同发光颜色的LED灯，其Uf不同，通常情况下：红色LED的Uf约22.2V、蓝色LED的Uf约33.3V、白色LED 的 Uf约 33.3V、绿色 LED 的 UF约 2.83V。LED灯属于电 流型器件，一般普通 LED灯的正向工作 电流If极限值约为 50mA，其光衰电流 不能大于If/3 （约 15 18mA。当 LED 灯的IF v 17mA时， 其发光强度与它的 I F几乎可近似为线tonTLED灯正向可平均电流q=0.5q=0.3q=0.2q=0.1ImaxImax图8-7 WM调光原理性关系（实际上LED的正向电流和光

12、输出并不是完全正比关系，且不同的LED会有不同的正向电流和光输出关系曲线），但当IF > 20mA时，LED亮度的增强肉眼已无法分辨，因此,LED的工作电流一般选择在 15mA左右，此时LED的电光转换效率较高， 且光衰电流合理。综上所述，要实现对 LED的亮度调节最简单的方法就是调节其正向电流If的大小，但直接调节If大小会导致LED发光色谱产生偏移（具体原因可自行上网查阅相关资料）。目前广泛使用的LED调光技术都是基于 PWM方式来调节LED亮度的，其原理如图8-7所示。设计要求：利用 NE555设计一个占空比 q在0.250.75可调，一个周期 T内对应LED 的平均lF在515m

13、A之间，NE555工作电源电压为 5V，LED的IF最大值Imax取20mA， PWM的周期T应足够小，以保证人眼不会觉察到 LED有明显的闪烁感。3. 利用555时基电路设计一个线性斜坡（Linear Ramp ）信号发生器（锯齿波发生器）。利用NE555设计一个线性锯齿波发生器，提示：如图8-8所示电路，用NE555构成多谐振荡器，并用恒流源对电容C进行恒流充电，电容两端电压Uc就会线性增大。图8-8锯齿波发生器四、实验预习1. 熟悉555芯片引脚排列及引脚功能。2复习555内部电路结构及工作原理。3当图8-3电路作为分频器使用时，试分析 Ui为10kHz方波信号时，电路为几分频器？4估算

14、图8-4多谐振荡器的方波信号周期T及占空比q。5. 估算图8-5电路的占空比调节范围，及方波信号周期T。6. 利用Multisim仿真软件对扩展任务1进行电路仿真，观察并了解Uo、Uc、Ui波形之间的关系。7. 在扩展任务2、3项中任选一个，并利用Multisim仿真软件进行电路设计、仿真和调试直至电路功能符合设计要求为止，画出仿真电路图（电路图使用模块化画法），列出电路所需元件清单，设计出实验测试用数据表格。五、实验器材1数字电路实验箱2数字万用表3集成电路芯片1）NE555 2 只；2）三极管 S8550 1 只；3）1N4148 2 只；4）10k Q电位器 1只；5）阻容元件若干；6）

15、面包实验板 1 块；7）导线若干。六、实验内容与步骤（一）基本实验任务1. NE555构成的单稳态触发器功能测试。1） 按图8-3在面包板上接好线路， 给NE555的TRI端输入一个10kHz的连续脉冲信号， 观 察并记录 Uo 和 Ui 波形；2）将电路中的 R由10k更换为5k1，Ui保持不变，观察并记录 Uo和Ui波形；3）将电路中的R更换为1M，C更换为10uf,去掉TRI端的Ui信号，并将实验箱中的单脉冲（下降沿）插孔用导线接至NE555的TRI端（2脚），NE555的Out端经过一 470欧姆的电阻与 LED 灯正极相连， LED 负极接地。电路通电后，给 TRI 一个低电平触发脉

16、冲的同时 用手机秒表功能对电路暂态 tw（LED 灯点亮）进行计时，并记录数据，共进行 10次计时， 取其平均值最为 tw 的最终测试结果。2. NE555 构成的多谐振荡器及参数测试。按图 8-4 电路在面包板上接线，并用示波器观察并记录 Uo、Uc 的波形。3. NE555 构成的占空比可调的多谐振荡器及参数测试。Rp 最大和最小按图 8-5 电路在面包板上接线，检查接线无误后，用示波器观察并记录 时对应的 Uo、Uc 的波形。（二）扩展实验任务1. 555 构成的脉冲宽度调制（ PWM Pulse Width Modulation ）器。1） 按照图8-6所示电路在面包板上接线，CON端

17、输入一如图8-6 （b）图所示正弦波Ui,其Vpp=2V , f=1kHz。Ui可利用函数信号发生器获得，现将其Vpp调至2V，然后利用信号发生器的 DC Offset 功能将其幅值向大于 0V 方向偏移 3V。2）用示波器观察并记录 Uo、Uc 、Ui 的波形。2扩展任务选做项。根据事先设计好的电路在实验箱或面包板上连线, 按自拟实验步骤对电路进行测试, 并将测试结果记入自拟的测试表格中。七、注意事项1实验电路连线事先用万用表 “二极管 ”挡进行检测,保证连接电路的连线完好,正式 连接实验线路前, 必须对所用芯片进行逻辑功能的验证, 保证接入电路的芯片功能完好。 2将芯片插入插座,或者从插座上拔出芯片时,用力要均匀,避免用力不均导致芯片 引脚弯曲变形甚至折断。3注意集成芯片在集成芯片插座上的安装方向不要弄反,器件和连线要插牢,仔细核对芯片各引