数字钟脉冲产生及555应用.ppt

数字钟脉冲产生及555应用 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望三、实验原理三、实验原理1 1、脉冲波的获得、脉冲波的获得 在数字系统中，常需要各种不同频率的脉冲信号，或者在数字系统中，常需要各种不同频率的脉冲信号，或者需要一定宽度和幅度的脉冲信号，来完成各种不同的控制要需要一定宽度和幅度的脉冲信号，来完成各种不同的控制要求。求。有如下两种方法获得脉冲波：有如下两种方法获得脉冲波：1 1）自激多谐振荡器）自激多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲。由于矩形波中要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器叫含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。做多谐振荡器。常用门电路和单片集成电路组成多谐振荡器、环形振荡常用门电路和单片集成电路组成多谐振荡器、环形振荡器和石英振荡器，它不需要外接输入信号。器和石英振荡器，它不需要外接输入信号。2 2）脉冲整形电路）脉冲整形电路 它是把外界输入信号（如正弦波等）变换成为脉冲波。它是把外界输入信号（如正弦波等）变换成为脉冲波。常用门电路和单片集成电路组成单稳态触发器和施密特触发常用门电路和单片集成电路组成单稳态触发器和施密特触发器。器。下面给出了三种由下面给出了三种由TTLTTL门门构成的多谐振荡器电路构成的多谐振荡器电路1 1、对称式多谐振荡器电路、对称式多谐振荡器电路 2 2、非对称多谐振荡器电路、非对称多谐振荡器电路 3 3、最简单的环形振荡器、最简单的环形振荡器 这种由门电路构成的几种多谐振荡器电路难以这种由门电路构成的几种多谐振荡器电路难以满足要求。因为在这些多谐振荡器中振荡频率主满足要求。因为在这些多谐振荡器中振荡频率主要取决于门电路输入电压在充、放电过程中达到要取决于门电路输入电压在充、放电过程中达到转换电平所需要的时间，所以频率稳定性不可能转换电平所需要的时间，所以频率稳定性不可能很高。很高。因为：因为：（1 1）这些振荡器中门电路的转换电平）这些振荡器中门电路的转换电平V VTHTH本身就不本身就不够稳定，容易受电源电压和温度变化的影响；够稳定，容易受电源电压和温度变化的影响；（2 2）这些电路的工作方式容易受干扰，造成电路这些电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态转换时间的提前或滞后；状态转换时间的提前或滞后；（3 3）在电路状态临近转换时电容的充、放电已经在电路状态临近转换时电容的充、放电已经比较缓慢，在这种情况下转换电平微小的变化或轻比较缓慢，在这种情况下转换电平微小的变化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。微的干扰都会严重影响振荡周期。所以：所以：TTLTTL门多谐振荡器只适用于对频稳度要求不高门多谐振荡器只适用于对频稳度要求不高的场合。的场合。在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频率稳在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。例如在将多谐振荡器作为定性有严格的要求。例如在将多谐振荡器作为数字数字钟的脉冲源钟的脉冲源使用时，它的频率稳定性直接影响着计使用时，它的频率稳定性直接影响着计时的准确性。时的准确性。对频率稳定度有较高要求时，必须采取稳频措施。对频率稳定度有较高要求时，必须采取稳频措施。目前普遍采用的一种稳频方法是在多谐振荡器电路目前普遍采用的一种稳频方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。中接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。2 2、石英晶体多谐振荡器、石英晶体多谐振荡器石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。它的频形尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。它的频率稳定度率稳定度(fo(fofo)fo)可达可达1010-6-61010-11-11，足以满足大，足以满足大多数数字系统对频率稳定度的要求。多数数字系统对频率稳定度的要求。石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率的固有谐振频率fofo，而与外接电阻，电容无关。，而与外接电阻，电容无关。图示电路中，若取图示电路中，若取TTLTTL电路电路74LS0474LS04用作用作G1G1和和G2G2两个反相器，两个反相器，R RF F=1K,C=0.01F=1K,C=0.01F，则其工作频，则其工作频率可达几十率可达几十MHzMHz，频率稳定度可保，频率稳定度可保证频率偏差在数十证频率偏差在数十HzHz以下。以下。3 3、集成振荡、集成振荡/分频集成电路分频集成电路CD4060CD4060CD4060CD4060是是CMOS14CMOS14位二进制串行计数分频器，工位二进制串行计数分频器，工作电压范围作电压范围3-15V3-15V。CD4060CD4060片内集成了振荡电路，在其外引脚上只需片内集成了振荡电路，在其外引脚上只需接一个晶振和两个电容、一个电阻即可很容易地接一个晶振和两个电容、一个电阻即可很容易地起振。起振。右图中右图中Q4Q4、Q5Q5、Q14 Q14 分别对应分别对应于晶振频率的于晶振频率的2 2n n分频方波频率输出；分频方波频率输出；Reset Reset为复位端，高电平复位，使为复位端，高电平复位，使用时接低电平；用时接低电平；Clock Clock与与OUT1OUT1是外部振荡电路输入是外部振荡电路输入端，端，OUT2OUT2为振荡反向输出端。为振荡反向输出端。CD4060的外引脚图。的外引脚图。CD4060CD4060内部结构详图内部结构详图 从图中可见，最大从图中可见，最大2 21414分频实际上是通过分频实际上是通过1414位异步位异步计数器级联实现的。计数器级联实现的。（CD4060CD4060内部未将内部未将2 21 1、2 22 2、2 23 3分分频引出）频引出）CD4060CD4060构成振荡器典型电路构成振荡器典型电路RC振荡器振荡器晶体振荡器晶体振荡器从图中可见从图中可见CLOCKCLOCK、OUT1OUT1、OUT2OUT2的内部连接与外引脚关系的内部连接与外引脚关系555555定时器是一种多用途的定时器是一种多用途的数字数字-模拟混合集成电模拟混合集成电路路，利用它能极方便地构成，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以由于使用灵活、方便，所以555555定时器在波形的产定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。许多领域中都得到了应用。4 4、555555定时器定时器（1 1）用用555555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器 将将555555定时器的定时器的U UI1I1和和U UI2I2 两个输入端连在一起两个输入端连在一起 （2 2脚与脚与6 6脚）作为脚）作为U UI I信号输入端，即构成施密特触信号输入端，即构成施密特触发器。发器。电路的回差电压为电路的回差电压为 如果参考电压由外接的电压如果参考电压由外接的电压VCCVCC供给，则不难看出供给，则不难看出这时：这时：通过改变通过改变V VCOCO值可以调节回差电压的大小。值可以调节回差电压的大小。（2 2）用）用555555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器 若以若以555555定时器的定时器的U UI2I2端作为触发信号的输入端，并端作为触发信号的输入端，并将由将由T TD D和和R R组成的反相器输出电压组成的反相器输出电压U UC C接至接至U UI1I1端，同时在端，同时在U UI1I1对地接入电容对地接入电容C C，就构成了单稳态触发器。，就构成了单稳态触发器。电压波形图电压波形图 输出脉冲的宽度输出脉冲的宽度t tw w等于暂稳态的持续时间，而暂等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻稳态的持续时间取决于外接电阻R R和电容和电容C C的大小。的大小。由由电压波形图电压波形图可知，可知，t tw w等于电容电压在充电过程中等于电容电压在充电过程中从从0 0上升到上升到 所需要的时间，因此得到：所需要的时间，因此得到：通常通常R R的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范围为几百皮法到几百微法，围为几百皮法到几百微法，t tw w的范围为几微秒到几分钟。但必的范围为几微秒到几分钟。但必须注意，随着须注意，随着t tw w的宽度增加它的精度和稳定度也将下降。的宽度增加它的精度和稳定度也将下降。（3 3）用）用555555定时器接成的多谐振荡器定时器接成的多谐振荡器 将将555555定时器的定时器的U UI1I1和和U UI2I2连在一起接成施密特触发连在一起接成施密特触发器，然后再将器，然后再将U UO O经经RCRC积分电路接回输入端就构成了积分电路接回输入端就构成了多多谐振荡器谐振荡器。分析电路可知，电容上的电压分析电路可知，电容上的电压U UC C将在将在V VT+T+与与V VT-T-之间往之间往复振荡，复振荡，U UC C和和U UO O的波形的波形如图所示如图所示。由由 的波形求得电容的波形求得电容C C的充的充电时间电时间T T1 1和放电时间和放电时间T T2 2各为：各为：故电路的振荡周期为：故电路的振荡周期为：振荡频率为：振荡频率为：通过改变通过改变R R和和C C的参数即可改变振荡频率。的参数即可改变振荡频率。输出脉冲的占空比为：输出脉冲的占空比为：四、实验内容四、实验内容1 1、晶体振荡器及分频实验、晶体振荡器及分频实验 在实验箱上完成下图电路连接在实验箱上完成下图电路连接 CD4060 CD4060外引脚图外引脚图 CD4060 CD4060振荡电路连接图振荡电路连接图 测试内容：测试内容：（1 1）用示波器依次观察）用示波器依次观察Q4Q4、Q5Q14Q5Q14输出端波形，输出端波形，记录周期，并计算出频率；并画出记录周期，并计算出频率；并画出Q4Q4、Q5Q5端波形端波形（2 2）用频率计依次测量）用频率计依次测量Q4Q4、Q5Q14Q5Q14输出信号的频输出信号的频率，并与前面的计算值比较；率，并与前面的计算值比较；（3 3）Q14Q14输出端所接的输出端所接的D D触发器构成二分频电路，在触发器构成二分频电路，在其输出接其输出接LEDLED，Q Q1414、Q Q1313分别接分别接2 2个个LEDLED，观察并定性，观察并定性记录实验现象。记录实验现象。（4 4）通过计算，得出）通过计算，得出CD4060CD4060各输出端理论上的输出各输出端理论上的输出频率，与前面的测试值列表比较。频率，与前面的测试值列表比较。注意：示波器在测注意：示波器在测试很低的频率时，扫试很低的频率时，扫描线呈闪烁状，此时描线呈闪烁状，此时估算周期即可。估算周期即可。想想这是为什么？想想这是为什么？2 2、555555多谐振荡器多谐振荡器(1)(1)对照下图接线，输出端对照下图接线，输出端3 3接接LEDLED和示波器；和示波器；(2)(2)接通电源，仔细调整接通电源，仔细调整47K47K电位器电位器R RW W ，使，使555555起振，这时起振，这时可看到可看到LEDLED发光管闪烁，调节发光管闪烁，调节R RW W的值，可从示波器上观测的值，可从示波器上观测到脉冲波形的周期发生变化；到脉冲波形的周期发生变化；(3)(3)向两个方向分别调节向两个方向分别调节R RW W，在示波器上读出使电路起，在示波器上读出使电路起振时所对应的信号波形的最大周期与最小周期，振时所对应的信号波形的最大周期与最小周期，并计算出此振荡器所对应的频率。并计算出此振荡器所对应的频率。(4)(4)调节调节R RW W使占空比使占空比 为为50%,50%,记录此时记录此时 的波形周期，计算的波形周期，计算 频率。频率。3 3、555555施密特触发器施密特触发器(1)(1)对照下图接线。其中对照下图接线。其中555555的的2 2和和6 6脚接在一起，用函数信脚接在一起，用函数信号发生器提供号发生器提供Vp-pVp-p为为5V5V，频率为，频率为1KHz1KHz的三角波，的三角波，U UI I和和U UO O端接双踪示波器。端接双踪示波器。(2)(2)接线无误后，接通电源，在示波器的跟踪下，将输入三接线无误后，接通电源，在示波器的跟踪下，将输入三角波加适当的直流偏移使其为单极性三角波；角波加适当的直流偏移使其为单极性三角波；(3)(3)调节调节R RW W，观察示波器输出波形的变化，观察示波器输出波形的变化。观察并画出输观察并画出输入、输出波形的形状。入、输出波形的形状。注意：由于函数信号发生器输出注意：由于函数信号发生器输出的三角波为双极性的，而的三角波为双极性的，而555555为为单电源供电，因此需要给输出三单电源供电，因此需要给输出三角波加直流偏移，使其恰好为单角波加直流偏移，使其恰好为单极性三角波，才能提供给极性三角波，才能提供给555555做做整形用，否则回出现底部切顶现整形用，否则回出现底部切顶现象。象。4 4、555555单稳态触发器单稳态触发器(1)(1)按下图接线，按下图接线，U UI I接接1KHz1KHz连续脉冲，输出连续脉冲，输出U UO O接示接示波器。波器。(2)(2)调节调节10k10k电位器，在电位器的两个临界位置点，电位器，在电位器的两个临界位置点，观察并画出输入、输出波形，标明脉宽，由此计观察并画出输入、输出波形，标明脉宽，由此计算相应的占空比。算相应的占空比。五、预习要求五、预习要求 1.1.复习复习 555 555定时器的结构和工作原理；定时器的结构和工作原理；2.2.计算实验电路中计算实验电路中555555定时器应用时的理论定时器应用时的理论值值t tw w；3.3.掌握掌握555555定时器的管脚排列；定时器的管脚排列；4.4.用用EWBEWB软件对电路进行仿真。软件对电路进行仿真。六、实验报告要求六、实验报告要求1.1.整理并画出实验电路，标上引脚和元件值。整理并画出实验电路，标上引脚和元件值。2.2.画出各实验波形，标上幅度和时间。画出各实验波形，标上幅度和时间。3.t3.tw w理论计算值和实际测得值的误差为多少理论计算值和实际测得值的误差为多少？4.4.对测试的数据进行讨论和误差分析。对测试的数据进行讨论和误差分析。七、思考题七、思考题1.5551.555定时器构成的振荡器，其振荡周期和定时器构成的振荡器，其振荡周期和占空比的改变与哪些因素有关？若只需改占空比的改变与哪些因素有关？若只需改变周期，而不改变占空比应调整哪个元件变周期，而不改变占空比应调整哪个元件参数？参数？2.5552.555定时器构成的单稳态触发器输出脉宽定时器构成的单稳态触发器输出脉宽和周期由什么决定？和周期由什么决定？3.3.用示波器观测很低频率的信号波形时，屏用示波器观测很低频率的信号波形时，屏幕上扫描线呈闪烁状，这正常吗？为什么幕上扫描线呈闪烁状，这正常吗？为什么？