555芯片.docx
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555芯片
555計時器
本實驗講義共計15頁
2005.8最新修訂
一、實驗目標
瞭解555Timer的原理及其基本電路。
2、實驗提示及操作練習
計時器555乃Signetics公司於1972年首次推出,不出十年工夫,已普及全世界。
555的主要功能是做為方波產生器、振盪器或計時器,在早期的數位電路中佔有重要地位,近年來雖然多半被大型或超大型積體電路取代,但是其原理與應用方法仍是初學者所不能不知的。
555通常做成DIP(Dual-in-linePackage)的IC出售,一共有8pin;也有兩個555封在一片IC之內的型式,稱為556,其功能和兩顆獨立的555相同。
555的主要優點為:
1.穩定性:
對溫度的漂移度為55ppm/℃。
2.精確性:
實際與理論的一致性達99%以上。
3.適應性:
電源(可從4.5V至15V)和輸出電位都使它可適用於類比和數位電
路。
4.大輸出:
輸出端能輸出或吸入200mA電流。
5.週期:
從數小時到數微秒。
Fig.6-1是555的接腳圖,各腳的命名與動作我們在後文會陸續說明。
Fig.2是內部方塊圖,在555內部有三個等值電阻將VCC分壓,2/3VCC接到一個比較器的反相端,1/3Vcc接到另一個比較器的非反相端,兩個比較器剩下的輸入分別就是555的輸入端(第2腳Trigger和第6腳Threshold),它們的輸出則是接RS正反器。
Fig.6-1555的接腳圖
Fig.6-2555的內部方塊圖
根據Fig.6-2我們來想像一下555各腳位的動作規則:
1.當第2、6腳皆大於2/3VCC時,正反器SR=01,輸出為低電位,同時讓Q14飽和,第7腳如同短路至地,可吸入35~55mA的電流,相當大。
2.當第2、6腳皆小於1/3VCC時,正反器SR=10,輸出為高電位,同時讓Q14截止,第7腳如同斷路。
3.當第2、6腳電位位於1/3VCC、2/3VCC中間時,因為有正反器的緣故,所以輸出和Q14都維持前一狀態不變。
【應用電路】555的應用電路
◆方波產生器(無穩態多諧振盪器,Astable
Multivibrator)
Fig.6-3方波產生器
方波產生器也叫做無穩態多諧振盪器(AstableMultivibrator)。
請參考Fig.6-3,電路振盪的動作說明如下:
1.開機瞬間C如同短路,輸入電壓為零,即第2、6腳皆小於1/3VCC,所以輸出為高電位,且Q14截止。
2.VCC經由R1和R2向C充電,第2、6腳電壓上升,當上升至2/3VCC時,輸出就變為低電位,且Q14飽和,第7腳電位近乎為零。
3.由於第7腳近於接地,因此C被迫經由R2放電,第2、6腳電壓開始降低,所以輸出維持不變,且放電繼續。
4.當2、6腳電壓降至1/3VCC時,輸出馬上變為高電位,Q14斷流,C又被充電,如此循環不息。
特別注意:
當Q14飽和時,第7腳的電位近乎為零,此時有兩股電流被吸入,一股來自VCC,經由R1,一股來自電容,經由R2。
此時,為了避免Q14因電流過大而燒燬,R1和R2的數值均應有所限制,它們的最小值為:
R1不得低於5kΩ,R2不得低於3kΩ
此外,當Q14截止時,它的電流(雖小)限制著R1和R2的最大值。
這是因為如果電流太小,電容將無法被充電至2/3VCC,如此一來,振盪便會中止。
所以,一般而言,R1加R2之和的最大值在數MΩ左右。
實際操作時,有些同學可能用可變電阻代替R1、R2,那麼務必請串聯上一固定電阻,以防不慎事件發生。
Fig.1的振盪電路除了R1、R2與C之外,還有一些在555的其他應用電路裏也常會見到的接線,茲分別解釋如後:
1.第5、8腳與地之間接有電容,這是穩定電位用的。
由於555內部正反器在轉態時會使消耗電流瞬間增大或減小,這種現象極易使VCC電壓不穩,進而影響內部據以比較的1/3VCC、2/3VCC位準。
在5、8腳與地之間並聯電容可以改善這種現象。
在接下來的實作中,不管電路圖上是否標明,只要用到555之處,都必須加上這兩個電容,否則實驗結果會和理論值出入極大。
2.輸出端與VCC之間接有一個電阻(以虛線示出),這個電阻的作用在於,可使輸出的高電位提升到VCC。
在實作中,這個電阻可加可不加,若不加則高電位約比VCC低0.5V。
3.第4腳取名重置(Reset),若將之接地,則Q14恆為飽和且輸出恆為低電位。
同學們在這裡會發現一個矛盾:
「Q14飽和時C會放電,使第2腳低於1/3VCC,此時,輸出不是高電位嗎?
」這個問題的正確答案為:
「重置」勝過其它接腳的功用。
由此可以推論:
第4腳不用時應該接到VCC,不應該讓它浮接,以防雜訊由此導入來影響其它接腳。
Fig.6-4電路的振盪波形
Fig.6-4是Fig.6-3電路的振盪波形,水平軸為0.5ms/div,垂直軸為2V/div,零位是下方的水平線,各點波形以同一scale示出。
若將R1的電源獨立出來,則這個電路的頻率將隨R1外加的電壓而改變,但方波的振幅不變,因此提供了一個VCO(VoltageControlledOscillator;壓控振盪器)的可行性,只可惜這個VCO的關係是非線性的。
Fig.6-3的振盪器有一個缺點,那就是它的充放電路徑所經過的電阻無法相等(試想為什麼呢?
),所以我們無法得到一個對稱方波。
為了改善這個缺點,可以用Fig.6-5的電路代替:
Fig.6-5可調整DutyCycle的方波產生器
Fig.6-5的電路是令充放電的路徑獨立,如此可使方波對稱,或是放電時間較短於充電時間,也就是DutyCycle大於50%。
◆單穩態多諧振盪器(MonostableMutlivibrator)
Fig.6-4的接法稱為「單穩態多諧振盪器」(MonostableMutlivibrator)。
所謂“單穩態”的意思,是指這個電路只有一個穩態(輸出為0V時),當輸出為高電位時是“不穩態”,只能維持短時間,隨即掉回穩態(低電位)。
這個電路也被稱為計時電路,是555最典型的應用電路。
(a)(b)
Fig.6-6MonostableMutlivibrator
開機瞬間,C視為短路,輸入電壓為零,即第2、6腳皆小於1/3VCC,所以輸出為高電位,且Q14截止;C經由R3被VCC充電,使第6腳的電位上升;當第6腳的電位升至2/3VCC後,輸出定在低電位,Q14吸去電容上的電荷。
此時如果沒有外加訊號,555便一直維持在此狀態。
接下來我們來看觸發後的不穩態分析。
加一負向的觸發信號於第2腳,使其低於1/3VCC,則輸出立刻被激發到高電位,此刻是計時的「開始」。
因Q14截止,C受到VCC的充電而使第6腳的電位上升;當第6腳升至2/3VCC,輸出立刻落回低電位,此刻是計時的「結束」,C又被放電,一切恢復穩態。
在計時之內因555內有正反器的關係,輸出維持高電位,縱使你移去觸發信號,輸出不會跟著落回,所以觸發的長短是不重要的(但是不能比計時週期長,否則可能影響計時週期)。
對於觸發訊號較嚴格的要求是觸發位準的正確與否,Fig.6-7是一些例子,這些波形並非全部皆適合做為觸發訊號,你能指出哪些才能正確觸發Fig.6-6的電路嗎?
Fig.6-7觸發訊號
Fig.6-8電路的振盪波形
Fig.6-8是單穩態振盪器的輸出波形。
最上方是第2腳的觸發信號,中央是第3腳的輸出訊號,下方是第6腳的電容電壓。
根據Fig.6-8可知:
1.若沒有第二次的觸發,輸出便恆停在穩態,此圖是為了配合示波器重複掃描的特性,使用週期性觸發。
2.經由簡單的計算,不穩態維持的時間為:
T=1.1R3C-------------(6-1)
3.電容放電相當快,快得來不及留下光跡,可証明Q14飽和時,電阻近乎零,吸入電流的能力很大,所以應該注意R3不可小於5kΩ。
注意:
零位未示出,但你可從Fig.6-2知道在那裡。
◆可再觸發單穩態複振器(Retriggerable
Multivibrator)
Fig.6-9是不可再觸發型(Unretriggerable)的複振器,什麼是“不可再觸發”呢?
我們以下圖來說明:
第六腳
電位
Fig.6-9不可再觸發型複振器的波形
如果觸發是週期性且頻率太快,就可能在前一個觸發所引起的不穩態還未結束,下一個觸發就又進來了。
以Fig.6-9來看,當第1個觸發已到,而第2個觸發未來之時,不穩態已在進行,即輸出高電位(中間的波形),電容正在充電(下面的波形)。
這時,第2個脈衝進來,對不穩態毫無影響,等於浪費了一樣。
同理第3個脈衝也浪費掉。
然後第4個脈衝進來,因為已經回到了穩態,所以能夠再觸發;同理,第5和第6個脈衝又浪費掉,第7個脈衝能夠觸發,……,像這種必須等到計時結束才能再觸發的特性,就稱為不可再觸發型複振器。
我們可以利用不可再觸發的特性來完成兩個目的:
1.用作計數器(Counter),正如數位系統般的計數器,任何數目的分頻都是可行的。
2.用作同步器,輸出被輸入強迫同步(整數倍)。
除了上述電路,有時我們也需要可再觸發型複振器(RetriggerableMultivibrator)。
這種電路顧名思義,就是在不穩態週期尚未結束前,如果又有觸發訊號進來,可以接受新的觸發訊號並重新計時。
Fig.6-10是可再觸發型單穩態複振器,用了兩顆555。
其中,B部份的接線圖同Fig6,它的觸發源來自於A部份的輸出。
唯一不同的地方在於,B部份充電用的電容多接一條線到A部份的第7腳,造成“欲使C充電,必須兩顆555的第2腳都截止”才行,正因為這條線,使它成為可再觸發。
Fig.6-10RetriggerableMultivibrator
Fig.10的輸出結果顯示在Fig.6-11。
0.5ms/div0.5ms/div
(a)(b)
Fig.6-11的輸出結果
根據Fig.6-11,說明電路動作如下:
1.觸發信號是正向脈衝,且含有直流偏壓。
未觸發時應使555(A)第2腳低於1/3VCC,觸發信號來時使其高於1/3VCC。
2.穩態時有一矛盾情形:
未觸發時,555(A)第2腳<1/3VCC,此時輸出為高電位,同時Q14截止;但555(A)第6腳>2/3VCC,會使得輸出為低電位,且Q14飽和;對於一般SR正反器而言,這會造成輸入皆為1的“不確定”情況。
但是555內部的正反器是經過特別設計的,當正反器輸入皆為(1,1)時,其輸出是(1,0),與輸入是(1,0)時相同,你也可以看成優先次序是腳2優於腳6。
3.觸發訊號來時,555(A)第3腳立刻有反應,555(B)第6腳則否,後者要等到觸發訊號結束後才開始充電。
由Fig.6-9(a)可以看出,如果充電未達2/3VCC時觸發訊號就進來,則555(B)第6腳就會迅速被555(A)第7腳放電,等到脈衝離去才又恢復充電,於是555(B)第3腳一直保持高電位。
如果觸發訊號的間隔較計時週期長,則情況如Fig.6-11(b)所示,555(B)第6腳先充電到2/3VCC,然後回穩態等待下一次觸發。
4.根據Fig.6-11(a),555(B)總共計時週期為:
T=觸發脈寬+1.1RC----------(6-2)
這不同於不可再觸發的(
)式。
由此也可以知道,這個電路的計時是在觸發訊號結束後才開始的,因此並無觸發脈寬長短的問題。
5.一次成功的觸發所需最短脈寬約2-3μs,故知555只適用在低頻,其不穩態振盪的極限約100kHz左右。
◆鎖鑰振盪器(KeyedOscillator)
如Fig.6-12,前級的輸出端接到後級的重置端,兩級都是不穩態複振器,且前級的頻率較低。
當前級輸出高電位時,鑰啟後級的振盪;當前級輸出低電位時,鎖止後級;這種電路稱為鎖鑰振盪器(KeyedOscillator)。
Fig.12鎖鑰振盪器
555計時器
PRELAB
班級:
組別:
姓名:
學號:
同組組員:
學號:
◎預習一
1.試說明Fig.6-3方波產生器電路的工作原理。
2.一個如下圖的RC電路:
當它充電時,電壓與時間的關係是:
;當它放電時,電壓與時間的關係是:
。
請你利用這兩個公式,參考Fig.6-4,證明Fig.6-3電路的T1、T2符合(6-3)、(6-4)式:
(6-3)
(6-4)
3.若在555的第5腳加上一電壓VR,則555內兩比較器之參考電壓分別為VR、1/2VR,因此電容的充放電在此二者之間。
請證明T1、T2變為:
(6-5)
(6-6)
◎預習二
1.比較Fig.6-3與Fig.6-5兩電路有何差別。
2.根據預習一的推導,Fig.6-5電路中的T1、T2的值應為何?
◎預習三
參考預習一的推導及Fig.6-6電路,請你推導出P6-6(6-1)式。
555計時器
LAB
●本實驗的圖形記錄,請注意保持各個腳位之間的時序關係正確
◥實作一方波產生器
(1)
1.接線如Fig.6-3,R1、R2用10KΩ,C用0.05μF,VCC用12V。
先測量第5腳電位,看是否為2/3VCC。
2.觀察並畫下第2、6腳(即電容的跨壓)波形,標明此波形最高值與最低值。
3.觀察並畫下第3腳之輸出波形,記錄高電位週期T1與低電位週期T2,利用PRELAB導出的週期公式(6-3)、(6-4)驗證之。
4.調整VCC(請勿超出5~15V範圍),證明週期和VCC無關。
5.請加一10V電壓於第5腳,重新測T1與T2。
利用PRELAB中的(6-5)、(6-6)式驗證。
◥實作二方波產生器
(2)
1.接線如Fig.6-5,兩電阻都用10KΩ,C用0.05μF,VCC用12V。
2.觀察輸出波形,記錄高電位週期T1與低電位週期T2,與PRELAB推測的結果比較。
3.自行改變電容、電阻值,設計出DutyCycle為20%,頻率為1KHz的方波產生器,記錄下你所用的電容電阻值。
◥實作三單穩態複振器
1.接線如Fig.6-6,R3用10KΩ,C用0.05μF。
2.利用FG的DC-offset鈕與Symmetry鈕調整出適當頻率、位準、脈寬的觸發訊號輸入,觀察輸出訊號。
請在同一時間軸上畫下輸入、輸出以及第6腳的波形。
3.測量並記錄計時週期,利用(6-1)式驗證。
◥實作四可再觸發型單穩態複振器
1.接Fig.6-10線路,R3仍用10KΩ,C用0.05μF,在VCC與輸出間接一RL=1KΩ。
2.當觸發脈衝的間隔較計時週期長時,畫下A2、A3、B6、B3各腳之波形(A2代表555(A)的第2腳,餘類推)。
3.拔去RL,看看對輸出有何影響?
4.記錄觸發脈寬與計時週期,驗證(6-2)式。
5.調整觸發訊號頻率,觀察”可再觸發”的現象。
即觸發脈衝的間隔較計時週期短時,你看到的輸出波形為何?
畫下A2、A3、B6、B3各腳之波形。
6.求出一次成功的觸發所需的最短脈寬(加大觸發源的頻率,使脈寬變窄,直到無法觸發為止—想一想不成功的觸發會產生什麼狀況?
)。
◥實作五鎖鑰振盪器
1.接線如Fig.6-12,A的兩個電阻取47KΩ,B的兩個電阻用5KΩ,電容一律用0.05μF。
2.使用示波器的兩個Channel同時觀察A3、B3腳的波形。
注意此時要小心調整示波器的觸發源,否則看到的波形會不正確。
畫下A3、B3腳的波形。
555計時器
REPORT
◥實作一方波產生器
(1)
1.第5腳電壓:
__________
2.第2、6腳波形;最高值:
__________;最低值:
__________
3.第3腳波形;T1=__________;T2=__________
5.T1=__________;T2=__________
◥實作二方波產生器
(2)
2.T1=__________;T2=__________
3.R1=__________;R2=__________;C=__________
T1=__________;T2=__________;f=__________
◥實作三單穩態複振器
2.第2、3、6腳波形:
3.T=__________
◥實作四可再觸發型單穩態複振器
2.A2、A3、B6、B3各腳位波形:
3.RL的影響:
4.觸發脈寬:
__________;計時週期:
__________
5.A2、A3、B6、B3各腳位波形:
6.最短觸發脈寬:
__________
◥實作五鎖鑰振盪器