基于555定时器的函数信号发生器设计.docx
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基于555定时器的函数信号发生器设计
基于555定时器的函数信号发生器设计
2013-2014学年度第二学期
电子技术基础课程
调
研
报
告
课题名称：
基于555定时器的
信号发生器设计
专业：
物理学
学号：
*********
姓名：
******
成绩：
1、调研任务与要求
设计一个信号发生器，独立完成系统设计，要求能实现以下功能：
（1）能产生方波、三角波、正弦波
2、调研目的
（1）进一步巩固熟悉简易信号发生器的电路结构及电路原理并了解波形的转变方法；
（2）学会用简单的元器件及芯片制作简单的函数信号发生器，锻炼动手能力；
（3）学会调试电路并根据结果分析影响实验结果的各种可能的因素
3、设计方案论证
信号发生器一般由一个电路产生方波或者正弦波，通过波形变换得到其他几种波形。
考虑到RC震荡产生正弦波的频率调节不方便且可调频率范围较窄，本设计采用先产生方波，后变换得到其他几种波形的设计思路。
采用555组成的多谐振荡器可以在接通电源后自行产生矩形波，再通过积分电路将矩形波转变为三角波，再经积分网络转变为正弦波。
4、555定时器的电路结构与工作原理
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
它的各个引脚功能如下：
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路的范围为3~18V。
一般用5V。
3脚：
输出端Vo
2脚：
低触发端
6脚：
TH高触发端
4脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表1示。
表1
清零端
高触发端TH
低触发端
Q
放电管T
功能
0
x
x
0
导通
直接清零
1
0
1
x
保持上一状态
保持上一状态
1
1
0
x
保持上一状态
保持上一状态
1
0
1
0
1
1
0
导通截止
置1
清零
5、基于555定时器的信号发生器设计原理
（一）555定时器接成多谐振荡器工作形式产生方波
电路图如下
接通电源后，电容C2被充电，当Vc上升到2Vcc3时，使V0为低电平放电三极管T导通，此时电容C2通过R3.R7.T放电，Vc下降。
当Vc下降到Vcc3时，V0翻转为高电平。
放电结束时，T截止，Vcc通过R2→R3→RP→C2向电容C2充电，当Vc从Vcc3上升到2Vcc3时，电路又翻转为低电平。
如此周而复始，在输出端得到一个周期性的矩形波。
电容C2放电所需的时间为：
Tpl=（R3+RP’）C2㏑2
电容C2充电所需的时间为：
Tph=（R3+R2+RP’）C2㏑2
占空比=TphTpl+Tph
振荡频率f=1（Tpl+Tph）
波形图大致如下
（二）积分电路产生三角波
电路的时间常数R*C，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。
Uo=Uc=（1/C）∫icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时，Uc=Oo.随后C充电，由于RC≥Tk,充电很慢，
所以认为Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故
Uo=（1/c）∫icdt=（1/RC）∫Uidt
这就是输出Uo正比于输入Ui的积分（∫Uidt）
RC电路的积分条件：
RC≥Tk
当输入信号为方波时，积分电路的输出为三角波
输入波形为A，输出波形为B
（三）RC低通滤波器
1、电路的组成
所谓的低通滤波器就是允许低频信号通过，而将高频信号衰减的电路，RC低通滤波器电路的组成如图所示。
三角波可以分解成由无数不同频率的正弦波组成的复合波。
当输入信号为三角波时，用低通滤波器将其高频成分滤掉后，波形将不再有尖顶部分，波形变得圆滑，从而变成类正弦波。
波形大致如下
图中的相位移动是由于RC网络成感性引起的。
C为一次滤波，D为二次滤波
一次滤波和二次滤波的输出均为类正弦波，不考虑干扰情况下，二次输出的波形由于滤掉了更多的高频分量，理论上更接近正弦波。
6、电路仿真分析
Multisim仿真电路图如下
图中8输出为方波A，9输出三角波B，10输出一次滤波C，12输出二次滤波D
仿真波形图
7、555定时器在现实生活中的应用实例
图5门控灯开关
该控制电路的核心是555定时器和D型触发器。
555定时器接成单稳态触发器,去除触点跳动对电路工作的影响,D型触发器接成T′触发器形式,利用其输出去控制可控硅开通和关闭,从而控制电灯的亮灭。
平时当房门关闭时,安装在门扇边缘的小磁铁正好靠在干簧管旁边,干簧管的两常开触点受外磁力作用吸合,单稳态电路因输入脉冲为高电平而处于待触发状态,此时双稳态电路的输出为低电平,可控硅因无触发电流而阻断,灯不亮。
当有人推门时,小磁铁会随门扇离开干簧管一次,干簧管的常开触点会因暂时失去外磁力作用而靠自身弹力张开、吸合一次。
实际上,由于干簧管的触点的抖动,要重复几次这种张开、吸合的过程.单稳态触发器的CP端能够在干簧管的1触点第一次张开时获得一负脉冲触发信号,使单稳态触发器翻转为暂稳态,其输出由低电平变为高电平此时,电容器C经R充电,复位端R电位上升,当上升到复位电平2/3V时,单稳态触发器复位,Q恢复为低电平。
单稳态电路的时间常数T=1.1RC,它有效地将干簧管的具有抖动信号现象的脉冲信号展宽为单个脉冲,此正脉冲同时加至T′触发器器的CP2端,其输出由低电平变为高电平,可控硅的控制极获得正向触发电流而导通,电灯通电发光.当进来的人离开时,随着门的再一次打开、关闭,干簧管重复同样的动作,单稳态触发器同样输出一正脉冲信号,于是T′触发器再次翻转为低电平,可控硅失去触发电流并在交流电过零时关断,电灯自动熄灭。
光敏电阻R和可调电阻R构成光控电路。
在白天,光敏电阻受自然光照射阻值很小,T′触发器的置“0”端R电位>1/2V,无论此门被开闭多少次,DD电路强制置“0”,Q始终为底电平,电灯不会发光;夜晚,因自然光照减弱,T′触发器的置“0”端R电位<1/2V,强制复位自动解除。
实际应用时,将开关盒安装在门框顶上,小磁铁则正对着盒内底侧部放置的干簧管固定在门扇顶沿上。
仔细调整小磁铁和干簧管的相对位置,使干簧管能够随门扇的开闭而可靠地动作。
然后,根据“火线接开关地线进灯头,接通开关和灯头”的照明灯接线原则,将开关盒内桩头外引线不分顺序串入电灯火线回路即可。
最后,用小螺丝刀将R调至阻值最小的位置,P在夜晚需要开灯的时候,打开门扇使灯点亮,然后由小到大调节R阻值,直到电灯刚好熄灭,再将R阻值回调一点即可.反复细调,即可获得最佳光控灵敏度。
8、调研心得体会
本次调研是在学习电子技术基础课程后进行的自主学习，相关知识包括了模拟电子线路和数字电子线路，这次选择的题目是在老师和同学的帮助下完成的，555电路是数字电路中典型电路，而RC低通滤波则是模电中最简单的电路之一，通过这次实践，让我发现电路的组合可以有很多种，其中的任何一个元件发生变化都可能会影响输出。
实践中用到的电路仿真软件Multisim，我也是第一次接触这种软件，它强大的功能让我产生强烈的好奇感。
不但可以模拟大部分电路，也有常用芯片，运行还可以用示波器输出波形。
虽然结束了这门课程，但是在以后的学习中，如果有机会我还是希望更多的了解电子专业相关的学科。
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