秒级精度的可调式定时器的设计与制作陈帅.docx
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秒级精度的可调式定时器的设计与制作陈帅
秒级精度的可调式定时器的设计与制作
作者:
陈帅
【摘要】:
设计并制作一个秒级精度的可调式定时器,能够产生高稳定度的脉冲信号,经分频可得到秒时基信号用于定时控制电路。
本定时器是一种控制精度可达秒级的定时控制电路,可用于需要精确控制定时的电路中。
电路中采用石英晶体振荡器作为时基信号源,通过数字电路的分频,取得精确的秒信号。
再通过一只数字分频电路将秒信号进一步分频,从不同的分频输出端控制信号,组成定时可调的定时控制电路,将定时输出的控制信号去触发一个由555电路组成的单稳态电路,并通过继电器去控制被控电路的工作状态。
本电路定时时间范围为2——2048S,通过选择开关分11级输出。
【关键词】:
石英晶体振荡器多级数字分频电路NE555单稳态电路继电器
引言
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,电子技术的飞速进步,用数字电路技术实现的自动化控制,例如555定时器,它是一种电路结构简单、使用灵活、用途广泛的多功能电路。
只要外部少数几个阻容元件便可组成施密特触发器、单稳态触发电路、多谐震荡器等电路。
555定时器的电源电压范围宽,双极型555定时器为5~16V,COMS555定时器为3~18V。
可以提供与TTL及COMS数字电路兼容的接口电平。
555定时器还可以输出一定的功率,可驱动微电机、指示灯、扬声器等。
它的脉冲波形的产生与变换、仪器与仪表、测量与控制、家用电气与电子玩具等领域都有广泛的应用。
随着科技的不断发展,生产工作等方面自动化程度不断提高,尤其是随着我们进入纳米时代,人们越来越重视测量的精确化。
当实现生产的自动化时,做一项工作要多少秒?
当火箭发射时,需要多少秒进行第二次、第三次点火?
当你遇到生命危险时,需要自动求救装置多少秒自动进行求救?
这些都需要一个高精度的定时装置。
秒级精度的可调式定时器可以帮助你进行高精度的定时。
第一章、主电路的设计方案
一.设计要求
(1)该电路具有定时控制电路,控制外围电路;
(2)定时时间2—2048S;(3)时间精确度小于1S;(4)自制+12V稳压直流电源。
二.设计方案
1.方案一
电路采用14位二进制串行计数/分频器CD4060构成高精度秒时基信号源,它的振荡电路由32768Hz的电子钟表用石英晶体振荡器产生。
经过2分频电路、多级可调时预置电路产生触发脉冲,控制定时输出电路进行定时。
设计电路框图如图1。
图1
2.方案二
方案二是由555定时器构成多谐振荡器,利用充放电时间差来产生高精度秒时基信号源,不需要2次分频,再通过多级可调定时预置电路来控制定时输出电路进行定时。
设计电路框图如图2。
图2
3.方案的确定
虽然方案二的电路结构比方案一简单,所需的元器件也比较少,但是方案一由CD4060产生的秒时基信号源比方案二由555定时器产生的秒时基信号源频率更稳定,所产生的信号源更精确,更符合任务书要求。
为使电路具有更高的Q值以提高振荡频率的稳定性,这里选择CMOS非门,从减小电路功耗的角度来考虑,这也是一种较好的选择,因此,电路的其它部分也应尽量采用CMOS集成电路来实现,方案一符合这一要求。
方案一所需的元器件实验室也可以购得,所需的元件价钱不高,因此我选用方案一。
第二章、电路的工作原理
一主电路原理
本定时器是由石英晶体振荡器产生的高稳定度的脉冲信号,通过数字电路多级分频后取得1Hz的秒时基信号,再通过多级数字分频电路的分频,取得多种时间的控制信号并通过继电器控制工作电路。
本电路定时时间范围为2……2048S,通过选择开关分11级输出。
电路图如图3。
图3所示为精密数字式定时控制电路。
该控制器由高精度秒时基信号源、2分频电路、多级可调定时预置电路和定时输出电路与继电器驱动电路组成。
图3
二构成电路各硬件部分原理分析
1.高精度秒时基信号源
高精度秒时基信号源是由14位二进制串行计数/分配器CD4060、电子钟表用石英晶体振荡器(它固有频率为32768Hz)等组成。
CD4060内包含两个反相器,这两个反相器可通过外接RC元件或石英晶体组成振荡器。
本电路由石英晶体振荡器产生的32768Hz脉冲信号经CD4060内部14级二进制计数器,每个计数器可用作一个2分频,其分频范围为24--214,即16—16384。
后由③脚(Q14)输出,输出的脉冲频率为2Hz。
a.晶体振荡器电路
一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类,一类是用TTL门电路构成;另一类是通过CMOS非门构成的电路,如图4所示,从图上可以看出其结构非常简单。
该电路广泛使用于各种需要频率稳定及准确的数字电路,如数字钟、电子计算机、数字通信电路等。
图4
图4所示电路中,CMOS非门U1与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路,U2实现整形功能,将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。
输出反馈电阻
为非门提供偏置,使电路工作于放大区域,即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。
电容C1、C2与晶体构成一个谐振型网络,完成对振荡频率的控制功能,同时提供了一个180度相移,从而和非门构成一个正反馈网络,实现了振荡器的功能。
由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性,从而保证了输出频率的稳定和准确。
晶体XTAL的频率选为32768HZ。
该元件专为数字钟电路而设计,其频率较低,有利于减少分频器级数。
从有关手册中,可查得C1、C2均为30pF。
当要求频率准确度和稳定度更高时,还可接入校正电容并采取温度补偿措施。
由于CMOS电路的输入阻抗极高,因此反馈电阻R1可选为10MΩ。
较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。
b.分频电路
分频电路原理
由于晶体振荡器输出频率为32768HZ,为了得到1HZ的秒信号输入,需要对振荡器的输出信号进行15级2进制分频。
CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高,而且CD4060还包含振荡电路所需的非门,使用方便。
CD4060计数为14级2进制计数器,可以将32768Hz的信号分频为2Hz,其内部框图如图5所示,从图中可以看出,CD4060的时钟输入端两个串接的非门,因此可以直接实现振荡和分频的功能。
图5
综上所述,可选择CD4060同时构成振荡电路和分频电路。
在
和
之间接入振荡器外接元件可实现振荡,并利用时计数电路中多一个2分频器(后述)可实现15级2分频,即可得1Hz信号。
CD4060功能简介:
CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成,振荡器的结构可以是RC或晶振电路。
CR为高电平时,计数器清零且振荡器使用无效,所有的计数器位均为主从触发器。
在
(和CP0)的下降沿计数器以二进制进行计数,在时钟脉冲上使用施密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。
CD4060的功能表见表1;引脚图见图6。
引出端符号:
时钟输入端CP0时钟输出端
反相时钟输出端Q4-Q10,Q12-Q14计数器输出端
第14级计数器反相输出端
表1:
功能表
CD4060引脚图:
图6
2.二分频电路
二分频电路原理
CD4069与CD4013组成缓冲级和2分频器,由秒时基信号源输出的2Hz信号源经CD4069反相和缓冲,送入CD4013二分频,得到1Hz(秒)的信号,该信号加至CD4040的CP端,以作为时钟控制信号。
CD4013为D触发器CD4013,在本电路中被接成双稳态电路,使其每输入两个脉冲,它的输出端输出一个脉冲,实现2分频功能。
CD4013功能简介:
CD4013是一双D触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。
每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出,此器件可用作移位寄存器,且通过将Q输出连接到数据输入,可用作计算器和触发器。
在时钟上升沿触发时,加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。
置位和复位与时钟无关,而分别由置位或复位线上的高电平完成。
CD4013的真值表见表2;引脚图见图7。
表2:
CD4013真值表功能:
CL(Note1)
D
R
S
Q
↑
0
0
0
0
1
↑
1
0
0
1
0
↓
X
0
0
Q
X
X
1
0
0
1
X
X
0
1
1
0
X
X
1
1
1
1
CD4013引脚图:
图7
CD4069功能简介:
CD4069由六个COS/MOS反相器电路组成。
此器件主要用作通用反相器、即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。
CD4069的引脚功能见图8、图9。
CD4069引脚功能
图8图9
交流测试电路和波形切换时间
图10图11
3.多级可调定时预置电路
多级可调定时预置电路的原理
多级可调定时预置电路由一个12位二进制计数/分配器CD4040(IC4)组成。
该电路内由12级2分频器组成,它有12个分频输出端,即Q1——Q12,其中Q1的分频系数=20=1,Q12的分频系数=211=2048。
由IC4组成的可调定时预置电路分11级,当CP信号频率为1Hz时,其中第一级的定时预置时间由CD4040的Q2输出,定时时间为21=2S,第二级定时预置时间由Q3输出,定时预置时间为22=4S,第三级由Q4输出,时间为23=8S……第十级定时预置由Q11输出,时间为210=1024S,第十一级定时预置时间由Q12输出,定时预置时间为211=2048S。
CD4040功能简介:
CD4040是12位二进制串行计数器,其内部框图如图12。
所有的计数器为主从触发器。
计数器在时钟的下降沿进行计数。
CR为高电平时,对计数器进行清零。
由于在时钟输入端使用施密特触发器,对脉冲上升和下降时间无限制,所有输入和输出均经过缓冲。
CD4040功能表见表3;引脚图见图13。
图12
引出端符号:
时钟输入端
CR清除端
Q0-Q11 计数器脉冲输出端
表3:
CD4040引脚图
图13
4.定时信号输出变换与控制电路
定时信号输出变换与控制电路工作原理
VT1、VT2和IC5组成定时信号输出变换与控制电路,其中NE555与R4、C3组成单稳态延时电路,延时时间T=1.1R4C3,也可根据实际定时需要,按照公式选择R4和C3的数值。
根据定时需要,可由选择开关SA1将相应的定时阶跃高电平引出一路。
当IC4输出定时信号后,加至放大器VT1、VT2(VT1先导通,VT2随后导通)。
VT2集电极输出低电平,经放大后的信号再加至IC5②脚,使555因②脚为低电平而发生翻转置位,③脚输出的高电平使继电器K吸合,接通相应控制的负载,使负载工作。
本控制器定时的工作程序为:
等待2N(N=2~11)秒后,继电器才吸合,接通工作。
之后,因C3通过R4进行充电,当C3上的电压充到使6脚电位达到2/3VDD时,555发生复位,③脚输出的低电平使继电器K释放,相应负载断电,停止工作。
本定时控制器的定时时间可从2~2048秒,分11个档次,定时精度高,较一般定时器理想。
NE555定时器:
555定时器是一种数字与模拟混合型的中规模集成电路,应用广泛。
外加电阻、电容等元件可以构成多谐振荡器,单稳电路,施密特触发器等。
555定时器原理图及引线排列如图14所示。
其功能见表4。
定时器内部由比较器、分压电路、RS触发器及放电三极管等组成。
分压电路由三个5K的电阻构成,分别给A1和A2提供参考电平2/3VCC和1/3VCC。
A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号自6脚输入大于2/3VCC时,触发器复位,3脚输出为低电平,放电管T导通;当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时,触发器置位,3脚输出高电平,放电管截止。
4脚是复位端,当4脚接入低电平时,则V0=0;正常工作时4接为高电平。
5脚为控制端,平时输入2/3Vcc作为比较器的参考电平,当5脚外接一个输入电压,即改变了比较器的参考电平,从而实现对输出的另一种控制。
如果不在5脚外加电压通常接0.01μF电容到地,起滤波作用,以消除外来的干扰,确保参考电平的稳定。
2触发5控制电压
3输出6门限(阈值)
4复位7放电
图14NE555内部框图(a)和引脚图(b)
表4:
NE555功能表:
在此次电路我应用的是555构成的脉冲启动式单稳态电路单稳态,因此我重点在这里说一下脉冲启动式单稳态电路。
所谓“单稳态”电路,就是该电路只有一个稳定状态,另一个状态为不稳定状态或称暂稳定状态。
这种电路在平时处于稳定状态,当需要时,用一个触发信号去触发它,使它翻转进入暂稳态,经过一段时间后电路又自动恢复到稳态。
单稳态电路有下列特点:
一是电路处于稳态时,若没有外加的触发信号,则电路一直处于稳定状态而不会自动改变其状态;二是暂稳态的暂稳时间可以根据需要预先设定;三是到达预定的暂稳时间后,电路可不外加任何信号而自动恢复到稳态。
图15为脉冲启动型单稳,也可以分为2个不同的单元。
他们的输入特点都是“RT-7.6-CT”,都是从2端输入A路的2端不带任何元件,具有最简单的形式;B路则带有一个RC微分电路。
图15
我在这里选用的是B路。
该电路在接通电源后,首先进入一个稳态建立的过程。
这个过程是这样的:
接通电源后,输出端
输出高电平。
电源首先通过电阻RT向电容CT充电,当充电使电容CT上的电压达到2/3VCC时,电路复位,输出端
变为低电平。
这时由于内部放电管导通,电容CT通过
脚进行放电,电路进入稳态。
R1、C1组成微分电路,它将输入的触发脉冲微分后加至电路的触发端
脚,使电路的触发更可靠。
当对电路的输入端Vi加上低电平后,经过微分电路,该低电平变为窄脉冲加至触发端
脚,电路被触发后发生翻转,输出端
脚由低电平变为高电平。
当电路输出端
脚变为高电平后,555电路内部的放电管截止。
电源开始通过RT向CT充电,电路进入暂稳态。
当电容充电使其电压上升至2/3VCC时,电路翻转,输出端
脚由高电平变为低电平,电路进入稳态。
第三章、电源电路的制作
直流稳压电源
小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成,系统框图如图16所示,电路图如图17所示
+电源+整流+滤波+稳压+
u1u2u3uIU0
_变压器_电路_电路_电路_
(a)稳压电源的组成框图
u1u2u3uIU0
0t0t0t0t0t
(b)整流与稳压过程
图16
图17
1.整流和滤波电路
在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路,整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。
滤波电路一般由电容组成,其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压UI。
UI与交流电压u2的有效值U2的关系为:
在整流电路中,每只二极管所承受的最大反向电压为:
流过每只二极管的平均电流为:
其中:
R为整流滤波电路的负载电阻,它为电容C提供放电通路,放电时间常数RC应满足:
其中:
T=20ms是50Hz交流电压的周期。
全波整流电路波形如图18所示。
2、稳压电路
由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时,滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。
因此,为了维持输出电压UI稳定不变,还需加一级稳压电路。
稳压电路的作用是当外界因素(电网电压、负载、环境温度)发生变化时,能使输出直流电压不受影响,而维持稳定的输出。
稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。
采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。
集成稳压器的类型很多,在小功率稳压电源中,普遍使用的是三端稳压器。
按输出电压类型可分为固定式和可调式,此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。
常见的有CW78
(LM78
)系列三端固定式正电压输出集成稳压器;CW79
(LM79
)系列三端固定式负电压输出集成稳压器。
三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。
型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值,有5V、6V、9V、12V、18V和24V。
稳压器使用时,要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI-Uo≥2V。
稳压器的静态电流Io=8mA。
当Uo=5~18V时,UI的最大值UImax=35V;当Uo=18~24V时,UI的最大值UImax=40V。
这里我选用的是12V,经测试输出的直流稳压电源为11.6V左右,符合任务要求。
图18全波整流电路波形
第四章、安装与调试及故障分析
准备好全套元件后,用万用表粗略的(因出厂前已测量过)测量一下各元件的质量,做到心中有数。
插线板时注意,电路最好紧贴电路板,二极管和三极管不要装反,注意级性的正确,否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。
通过眼、手来查找故障部位。
即是看元器件有无断线、互碰、导线是否接好等现象;摸元器件是否过热等。
用普通万用表的欧姆档检查各点的阻值,粗查是否有短路、短路等情况。
电源部分按照任务书的要求我设计了一个+12V的直流稳压电源,220V的交流电源经过变压器,变压后测得的交流电压为+15.6V左右,再经过桥式整流,将交流变为直流,测得电压为直流+14.8V,然后通过电容滤掉电压的脉动成分,然后测得的电压为直流+14.5V,接入三端稳压器LM7812,经测试输出的直流稳压电源为11.6V左右,符合任务要求。
经过认真的核对,确定主电路连接无误,接通直流12V的电源,调节波动开关,CD4040的输出端产生脉冲,经过三极管IN4007给NE555
号脚一输入信号,触发由NE555构成的单稳态电路进行定时,达到定时时间继电器吸合。
由于我对电路的理解有限,使电路不能正常的进行定时,而且采用12V的电源,使经过三极管的电流过大,长时间使用经常造成三极管的烧损,后来我改采用9V电源,在三极管VT1基极加一限流电阻,减少了三极管的烧损情况。
记录实验结果,完成实验报告。
心得体会
经过一个月的努力,毕业设计基本完成了,在毕业设计的过程中,学到很多有用的知识:
学会了一个完整的电路设计的方法和运行调试。
几个星期的学习中,我学会了直流电源的制作,懂得了集成块555的功能,对电路调试过程中遇到问题的分析方法,还掌握了其他电路的基本分析方法,还锻炼了我主动学习及与他人合作的能力。
还可以从各种渠道获得一定的资料共同加以研究学习,提高了我们的综合动手能力。
但由于能力和时间的关系,我的装置还有很多不尽人意的地方,譬如功能不全、有误差、外观粗糙不美观等。
可是,我会安慰自己:
做一件事情,不必过于在乎最终的结果,虽然结果很重要,但是更可贵的是过程中的收获。
大学生活即将匆匆忙忙地过去,但我却能无悔的对自己说:
“我曾经来过。
”大学虽然很短暂,但它给我的影响却不能用时间来衡量,这段时间以来,经历过的所有事,所有人,都将是我以后生活回味的一部分,是我为人处事的指南针。
就要离开学校,走上工作岗位了,这是我人生历程的又一个新的起点,在这里祝福大学里跟我风雨同舟的朋友们,一帆风顺,未来总会是精彩万分的。
致谢
本文的完成意味着大学学业的结束,几年的学习生活还历历在目,它将永远印刻在我的脑海。
一段经历的结束意味着一个新的梦想的诞生,我将进入职场,又开始新的追梦旅程。
毕业设计,也许是我大学生涯交上的最后一个作业了。
想借此机会感谢大学几年以来给我帮助的所有老师、同学,你们的友谊是我人生的财富,是我生命中不可或缺的一部分。
我的毕业设计指导老师陈慕铭老师,本来就是我《单片机原理》老师,我很高兴我的毕业设计能在他的指导下进行。
他在毕业设计的过程中以一个大哥哥的身份给我不厌其烦的指导,帮助我顺利的完成了毕业设计,漂亮的交上了我大学里的最后一次作业。
在此,特向他道声谢谢。
另外还要感谢实训中心的所有老师,使他们给我提供了我所需要的器材和元件,我才会顺利完成本次的毕业设计。
最后我要感谢我的母校,感谢母校对我的心情培育!
为我提供了这么好的学习生活环境。
【参考文献】
1、肖景和:
《555集成电路应用精粹》,北京:
人民邮电出版社,2007
2、张建生:
《电源技术教程》,北京:
电子工业出版社,2007
3、廖先云:
《电子技术实践与训练》,北京:
高等教育出版社,2005
4、王忠诚,孙唯真:
《零起点学电子技术及电子元器件》,北京:
电子工业出版社,2009
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