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選擇題目2 基于555觸發(fā)器的實(shí)用電路 設(shè)計(jì)名稱 救護(hù)車揚(yáng)聲器發(fā)音電路 姓名 學(xué)號 200710313014 班級 07自動(dòng)化 一、 設(shè)計(jì)方案 該電路主要通過兩片555定時(shí)器模擬救護(hù)車揚(yáng)聲器發(fā)聲電路，輸出周期性變化的高頻信號和低頻信號，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出高音低音周期交替的警報(bào)聲。 將兩片555定時(shí)器分別連接成多諧振蕩器，其中555（1）的作用是控制高頻聲音和低頻聲音的持續(xù)時(shí)間，其輸出Vo1是555（2）的控制電壓；555（2）的作用是控制高低音的頻率，作為壓控振蕩器將555（1）輸出的高低電平轉(zhuǎn)化為頻率，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出響聲。 二、 技術(shù)原理 1．555定時(shí)器器件特性 555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，外形為雙列直插8腳結(jié)構(gòu)，體積很小，使用起來方便。集成時(shí)基電路555的電源電壓范圍較寬，可在5~16V范圍內(nèi)使用（TTL型，若為CMOS型的555芯片，則電壓范圍可在2~18V 內(nèi)），電路的輸出有緩沖器，因而有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。雙極型時(shí)基集成電路最大的灌電流和拉電流都在200mA左右，因而可直接推動(dòng)TTL或CMOS電路中的各種電路，包括能直接推動(dòng)蜂嗚器、小型繼電器、喇叭和小型電動(dòng)機(jī)等器件。 集成555定時(shí)器有雙極性型和CMOS型兩種產(chǎn)品。它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同。其主要參數(shù)見表1.1. 圖1(a)雙極性型5G555的主要性能參數(shù) 參數(shù)名稱 符號 單位 參數(shù) 電源電壓 VCC V 5~16 電源電流 ICC mA 閾值電壓 VTH V VCC 觸發(fā)電壓 VTR V VCC 輸出低電平 VOL V 1 輸出高電平 VOH V 13.3 最大輸出電流 IOMAX mA ≤200 最高振蕩頻率 fMAX KHz ≤300 時(shí)間誤差 △t nS ≤5 ① VTH即Vi1 ,VTR即Vi2 。 (b) CMOS型7555的主要性能參數(shù) 參數(shù)名稱 符號 單位 參數(shù) 電源電壓 VCC V 3~18 電源電流 ICC μA 60 閾值電壓 VTH V VDD 觸發(fā)電壓 VTR V VDD 輸出低電平 V V 0.1 輸出高電平 V V 14.8 最大輸出電流 IOMAX mA ≤200 最高振蕩頻率 fMAX KHz ≥500 時(shí)間誤差 △t nS 基于以上對555定時(shí)器參數(shù)及性能的分析，認(rèn)為以555定時(shí)器搭建的電路能夠驅(qū)動(dòng)小功率揚(yáng)聲器發(fā)音，選擇適當(dāng)?shù)耐獠侩娮桦娙莸绕骷c555定時(shí)器配合使用能夠使此設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。 2.555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 圖1 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖2 555定時(shí)器邏輯符號和引腳 1> 內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 555定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖及邏輯符號和管腳排列分別如圖1和圖2所示。 Vi1（TH）：高電平觸發(fā)端，簡稱高觸發(fā)端，又稱閾值端，標(biāo)志為TH。 Vi2（）：低電平觸發(fā)端，簡稱低觸發(fā)端，標(biāo)志為。 VCO：控制電壓端。 VO：輸出端。 Dis：放電端。 ：復(fù)位端。 555定時(shí)器內(nèi)含一個(gè)由三個(gè)阻值相同的電阻R組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生VCC和VCC兩個(gè)基準(zhǔn)電壓；兩個(gè)電壓比較器C1、C2；一個(gè)由與非門G1、G2組成的基本RS觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）；放電三極管T和輸出反相緩沖器G3。 是復(fù)位端，低電平有效。復(fù)位后, 基本RS觸發(fā)器的端為1（高電平），經(jīng)反相緩沖器后，輸出為0（低電平）。VCO為控制電壓端，在VCO端加入電壓，可改變兩比較器C1、C2的參考電壓。不加控制電壓時(shí)，要在VCO和地之間接0．01μF（電容量標(biāo)記為103）電容。放電管Tl的輸出端Dis為集電極開路輸出。 2> 工作原理： 分析圖1的電路：在555定時(shí)器的VCC端和地之間加上電壓， 當(dāng)VCO懸空時(shí)，比較器C1的同相輸入端接參考電壓=VCC，比較器C2反相輸入端接參考電壓=VCC ； 當(dāng)VCO接控制電壓時(shí)，比較器C1的同相輸入端接參考電壓=Ve，比較器C2反相輸入端接參考電壓=Ve。 現(xiàn)做如下規(guī)定： 當(dāng)TH端的電壓>時(shí)，寫為VTH=1，當(dāng)TH端的電壓<時(shí)，寫為VTH=0。 當(dāng)端的電壓>時(shí)，寫為VTR=1，當(dāng)端的電壓<時(shí)，寫為VTR=0。 ① 低觸發(fā)：當(dāng)輸入電壓Vi2< 且Vi1<時(shí)，VTR=0，VTH=0，比較器C2輸出為低電平，C1輸出為高電平，基本RS觸發(fā)器的輸入端=0、=1，使Q＝1，＝0，經(jīng)輸出反相緩沖器后，VO＝1，T截止。這時(shí)稱555定時(shí)器“低觸發(fā)”； 表2 555定時(shí)器控制功能表 輸 入 輸 出 TH VO Dis < < > < > L H H H L H 不變 L 導(dǎo)通 截止 不變 導(dǎo)通 ② 保持：若Vi2> 且Vi1<，則VTR=1，VTH=0，==1，基本RS觸發(fā)器保持，VO和T狀態(tài)不變，這時(shí)稱555定時(shí)器“保持”。 ③ 高觸發(fā)：若Vi1>，則VTH=1，比較器C1輸出為低電平，無論C2輸出何種電平，基本RS觸發(fā)器因=0，使＝1，經(jīng)輸出反相緩沖器后，VO＝0，T導(dǎo)通。這時(shí)稱555定時(shí)器“高觸發(fā)”。 555定時(shí)器的“低觸發(fā)”、“高觸發(fā)”和“保持”三種基本狀態(tài)和進(jìn)入狀態(tài)的條件（即VTH、VTR的“0”、“1”）整理為表2 根據(jù)555定時(shí)器的控制功能，可以制成各種不同的脈沖信號產(chǎn)生與處理電路電路，例如,史密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、自激多諧振蕩器等。 3.555定時(shí)器接成多諧振蕩器 1> 連接方法： 將555定時(shí)器的Vi1 和Vi2連在一起結(jié)成施密特觸發(fā)器，然后將VO經(jīng)RC積分電路接回輸入端即構(gòu)成了多諧振蕩器，如圖3（a）所示。 2> 多諧振蕩形成機(jī)理： 初始時(shí)刻，Vc為0時(shí)，Vi2< 且Vi1<，555定時(shí)器處于低觸發(fā)狀態(tài)，VO＝1，T截止，電容C經(jīng)過R1、R2充電；當(dāng)Vc上升到時(shí)，Vi2> ，Vi1<，處于保持狀態(tài)，電容繼續(xù)充電，Vc繼續(xù)升高，VO＝1，T截止；當(dāng)Vc= 時(shí)，Vi1>，555定時(shí)器處于高出發(fā)狀態(tài)，VO＝0，T導(dǎo)通，電容C經(jīng)過R2、T放電，Vc降低，當(dāng)Vc下降到時(shí)，Vi2< 且Vi1<，電路再次進(jìn)入低觸發(fā)狀態(tài)，電容C經(jīng)過R1、R2充電……以此循環(huán)往復(fù)，電容Vc上的電壓在和之間往復(fù)振蕩，Vo端輸出具有一定占空比的方波脈沖，通過調(diào)節(jié)RW或電容C，可得到不同的時(shí)間常數(shù)；還可產(chǎn)生周期和脈寬可變的方波輸出，波形如圖3（b）所示。 3>相關(guān)公式推導(dǎo)： 通過Vc的波形球的電容C的充電時(shí)間和放電時(shí)間計(jì)算公式如下： 充電時(shí)間計(jì)算公式： 放電時(shí)間計(jì)算公式： 故電路的振蕩周期為： 當(dāng)Vco懸空（接電容后接地），=VCC =VCC時(shí)， 振蕩周期： 振蕩頻率： 三、 方案實(shí)施及結(jié)果分析 1. 電路圖設(shè)計(jì)及器件參數(shù)選擇 圖3 救護(hù)車揚(yáng)聲器發(fā)聲電路圖 1>電路概述： 所設(shè)計(jì)的救護(hù)車揚(yáng)聲器發(fā)聲電路主要有兩個(gè)連接為多諧振蕩器的555定時(shí)器及相關(guān)外圍組件組成。具體電路圖如圖3所示。通過555（1）控制高頻聲音和低頻聲音的持續(xù)時(shí)間，555（2）作為壓控振蕩器將555（1）輸出的高低電平轉(zhuǎn)化為頻率，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出響聲。 2>揚(yáng)聲器高低音發(fā)聲機(jī)理： 555（1）主要通過輸出占空比一定的方波信號控制555（2）的控制端電壓，當(dāng)輸出為高電平時(shí)，555（2）控制電壓端為高電平，由振蕩頻率f的計(jì)算公式可知此時(shí)振蕩頻率較低，為低音；相對應(yīng)，當(dāng)輸出為低電平時(shí)，555（2）控制電壓端為低電平，此時(shí)振蕩頻率較高，為高音。而高低音的持續(xù)時(shí)間則由555（1）決定。 3>電路元件選取及仿真： 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和查閱相關(guān)資料，同時(shí)參考相應(yīng)模型，選取各電路元件參數(shù)，使555（1）輸出電壓周期數(shù)量級為毫秒級（ms）,高低音振蕩周期數(shù)量級為微秒級（us）。 通過仿真軟件Multisim仿真電路，調(diào)節(jié)參數(shù)，觀測波形。結(jié)果如圖4所示。 圖4 救護(hù)車揚(yáng)聲器發(fā)聲電路高低音輸出波形 2.計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果： ①計(jì)算高頻聲音和低頻聲音的持續(xù)時(shí)間： 高音（高頻信號）時(shí)間即為C1經(jīng)R2放電時(shí)間T2，低音持續(xù)時(shí)間為C1經(jīng)過R1、R2充電時(shí)間T1. 高音持續(xù)時(shí)間： （即為低電平持續(xù)時(shí)間） 低音持續(xù)時(shí)間： （即為高電平持續(xù)時(shí)間） ②555（2）的5管腳輸入電壓可根據(jù)戴維南等效電路求得：（如圖5） 圖5 555（2）控制端電壓Ve的戴維南等效電路圖 ③計(jì)算高頻聲音和低頻聲音振蕩頻率： 當(dāng)=0V時(shí)，=6.00V， 高音振蕩頻率： 仿真結(jié)果如圖6所示： 圖6 高音振蕩波形及周期顯示（581.897us） 當(dāng)=12V時(shí)，= 低音振蕩頻率： 仿真結(jié)果如圖7所示： 圖7 低音振蕩波形及周期顯示（862.069us） 3.誤差分析與總結(jié) 經(jīng)過多次參數(shù)調(diào)整，可使仿真波形近似完美地符合計(jì)算結(jié)果。輸出振蕩頻率為1718Hz,持續(xù)時(shí)間為4ms的高音頻信號以及振蕩頻率為1222Hz,持續(xù)時(shí)間為6ms的低音頻信號，由其驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲即為救護(hù)車揚(yáng)聲器發(fā)聲信號。 在仿真過程中由于受仿真軟件的不確定性性質(zhì)，高音頻第一周期內(nèi)存在一次漏波，但基本不影響高音發(fā)聲；另外，若要使高低音循環(huán)周期達(dá)到秒級，雖然計(jì)算結(jié)果可通過參數(shù)選擇實(shí)現(xiàn)，卻無法用仿真結(jié)果驗(yàn)證。 參考文獻(xiàn)： [1] 閻石著.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）. 高等教育出版社. 、