项目6电子门铃电路的设计

项目6电子门铃电路的设计昆明冶金高等专科学校-精品课程-数字电子技术数字电子技术应用项目目标项目6电子门铃电路的设计◇熟悉555定时器电路结构、工作原理及其特点。◇掌握由555定时器构成的典型电路及应用。◇熟悉由简单门电路构成的时基电路及其应用。◇了解石英晶体振荡器的波形产生原理。任务引入项目6电子门铃电路的设计门铃的作用是提醒主人开门，近代门铃多为电子类产品。最常见的电子门铃，一般安放两节5号电池在内，门外的触发电钮被人按动后，门内的门铃就“嘀嘟”地响声。也有的是由IC芯片播放一段电子音乐的。门铃在生活中所起作用不容忽视。要求制作简易门铃是门铃音频为470kHz。任务分析项目6电子门铃电路的设计根据任务要求得知在进行门铃设计这一过程中要用到能够使扬声器发音的振荡电路，在数字电路中555定时器就是能够产生振荡信号的一种常用芯片，下面将详细介绍555定时器及由555定时器构成的三种典型电路。任务1555定时器的结构及原理项目6电子门铃电路的设计任务2555定时器构成的电路任务3电子门铃电路的设计任务4相关知识扩展555定时器逻辑结构图和芯片NE555引脚排列图任务1555定时器的结构及原理555定时器的结构1)电阻分压器2）电压比较器3）RS锁存器4）放电开关管5）输出缓冲器1-1555定时器的结构及原理定时器的逻辑功能输入输出VT状态××00导通VCCVCC10导通VCCVCC11截止VCCVCC1不变不变2iuDR0u3231323132311iu当ui1VCC，ui2VCC时，比较器A1输出低电平，A2输出高电平，基本RS触发器被置“0”，放电晶体管VT导通，输出u0为低电平，即u0=“0”。3231当ui1VCC，ui2VCC时，比较器A1输出为高电平，A2输出低电平，基本RS触发器被置“1”，放电晶体管VT关断，输出u0为高电平，即u0=“1”。3231当ui1VCC，ui2VCC时，比较器A1输出为高电平，A2输出也为高电平，此时基本RS触发器R=“1”、S=“1”，故触发器状态不变，输出u0也保持不变。3231555定时器构成施密特触发器任务2555定时器构成的电路用555定时器构成施密特触发器1）电路结构将定时器的阈值输入端uTH和触发输入端uTR连在一起，作为触发信号ui的输入端，并将G4输出端作为输出端u0，将控制端Uco通过滤波电容接地，便构成了一个施密特触发器。2-1用555定时器构成施密特触发器2）施密特触发器的特点(1)有两个稳定状态UT+和UT-，但稳态要靠输入电平来维持。(2)具有滞回电压传输特性。当输入信号高于UT+时，电路处于一个稳定状态；当输入信号低于UT-时，电路处于另一个稳定状态；当输入信号处于两触发电平之间时，其输出保持原状态不变。3）工作原理波形图(1)当ui＝0时，触发器置1，即Q＝1、，uo1＝uo＝1。ui升高时，在未到达VCC以前，uo1＝uo＝1的状态不会改变。0Q32(2)ui升高到VCC时，触发器置0，即Q=0、，uo1=uo=0。此后，ui上升到VCC，然后再降低，但在未到达VCC以前，uo1＝uo＝0的状态不会改变。1Q3132(3)ui下降到VCC时，触发器置1，即Q=1、，uo1=uo=1。此后，ui继续下降到0，但uo1＝uo＝1的状态不会改变。320Q2-1用555定时器构成施密特触发器4）施密特触发器的应用(1)波形变换(2)脉冲整形(3)幅度鉴别a）波形变换图b）脉冲整形图c）施密特触发器幅度鉴别施密特触发器应用图2-2用555定时器构成单稳态触发器单稳态触发器具有下列特点：1）电路有一个稳态和一个暂稳态。2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。555定时器构成单稳态触发器1）电路结构2-2用555定时器构成单稳态触发器2）工作原理无触发脉冲信号时，输入端ui为高电平，即ui=“1”。电源接通时，电源通过电阻R向电容C充电，当uc上升到Vcc时，输出u0为低电平，即u0=“0”。放电管VTD导通，电容C又通过放电管VTD迅速放电，直到uc=0V，u0=“0”，电路进入稳定状态。这时如果ui一直没有触发信号到来，电路就一直处于u0=“0”的稳定状态，这种状态是单稳态触发器的稳定状态。32当有触发脉冲信号时，输入信号ui由高电平变为低电平，即ui=“0”Vcc，由于ui=Vcc，并且uTHUR1=Vcc，触发器发生翻转，输出u0由“0”变为“1”，放电管VTD由导通变为截止，电源+Vcc通过电阻R向电容C充电，电容两端电压按指数规律从零开始增加（充电时间常数r=RC），经过一个脉冲宽度时间，负脉冲消失，输入端ui恢复为高电平，即=ui=“1”Vcc，这时电容两端电压ucVcc，而uTH=ucVcc，所以输出u0保持原状态”l”不变，这种状态即是单稳态触发器的暂稳状态。随着电容C的充电，uc逐渐增高，当uc≥Vcc。时，uTH=uc≥Vcc，又有≥Vcc，那么输出u0就由暂稳状态“1”态自动返回稳定状态“0”态。32TRu3132TRu313232323232TRu2-2用555定时器构成单稳态触发器3）暂稳状态时间（输出脉冲宽度）暂稳状态持续的时间又称输出脉冲宽度，用tw表示。tw等于电容电压在充电过程中由0上升到Vcc所需要的时间。32)()()0()(lnwcccctuuuutw=VccVccVcc320ln=3ln==1.1RC当1个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳定状态以后，tw时间内的其它触发脉冲对触发器就不起作用，只有当触发器处于稳定状态时，输入的触发脉冲才起作用。改变RC的值，就可改变脉冲宽度tw，从而可以进行定时控制。2-3用555定时器构成多谐振荡器1）电路结构555定时器构成多谐振荡器R1、R2和C为外接定时元件，外加电压控制端不用，通过一个小电容（如0．01µF）接地，以旁路高频干扰。2-3用555定时器构成多谐振荡器2）工作原理假定零时刻电容初始电压为零，零时刻接通电源后，因电容两端电压不能突变，则有uTH==uC=0VVcc，输出u0=“1”，放电管VTD截止。电源通过电阻R1、R2向电容C充电，电容电压开始上升。TRu31当电容两端电压uC≥Vcc时，uTH==uC≥Vcc，输出u0=“0”，放电管VTD导通。把uC从Vcc上升到Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间为t1，t2的长短与电容的充电时间有关，充电时间常数。放电管VTD导通后，电容器不再充电，反而通过电阻R2和放电管VTD向电源地端放电，电容电压开始下降。32TRu313232CRR)(211当电容两端电压uC≤Vcc时，uTH==uC≤Vcc，那么输出由u0=“0”变为u0=“1”，同时放电管VTD截止。把uC从Vcc下降到Vcc这段时间内电路的状态称为第二暂稳态，其维持时间为t2，t2的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数。CR227.0TRu313132312-3用555定时器构成多谐振荡器3）振荡周期多谐振荡器的振荡周期T=t1+t2。t1是电容两端电压从Vcc上升到Vcc所需时间，由电容C充电过程来决定。3132Vccuc31)0(Vccuc)(CRR)(211VccVccVccVccCRRt3231ln)(2112ln)(21CRRCRR)(7.021t2代表放电时间，是电容两端电压从Vcc下降到Vcc所需时间3132Vccuc32)0(0)(cuCR22CRCRVccVccCRt22227.02ln310320ln2-3用555定时器构成多谐振荡器3）振荡周期CRRCRCRRttT)2(7.07.0)(7.02122121CRRCRRTf)2(43.1)2(7.0112121212121112RRRRtttTtq对于矩形波，除了用幅度、周期来衡量以外，还存在一个占空比参数，，tw指输出一个周期内高电平所占时间。Ttqw占空比可调的多谐振荡器2-3用555定时器构成多谐振荡器3）振荡周期改变电位器滑动端的位置，就可调节占空比q，当R1=R2时，q=0.5，u0为对称的矩形波。2112111RRRtttTtqCRt117.0CRt227.0充电时间，放电时间占空比为：任务3电子门铃电路的设计1）简易电子门铃电路设计简易电子门铃电路kHZCRRf470).2(43.1121可取R1=3kΩ，R2=68kΩ，C1=0.022µF，按下按钮SB，电路即起振，按电路参数计算，若电路振荡频率落入音频范围，输出端就输出音频信号并经C2耦合推动扬声器B发声。若嫌音调不佳，可改变R2的阻值，直到使音色满意为止。“叮-咚-”电子门铃电路任务3电子门铃电路的设计2）叮咚门铃电路设计当按下按钮SB时，电源一路经VD1向C1充电，使端电位上升，当端电位大于0.4V时，振荡器起振；电源另一路经VD2、R3、R4向C2充电，这时电阻R2不起作用。所以在SB按下时C2充电时间常数是（R3+R4）·C2，放电时间常数是R4·C2，振荡频率约1600Hz，扬声器B发出的是模拟“叮一”声。松开SB后，C1向R1放电，仍能维持集成块端为高电平，这时VD2反偏截止，R2被接人振荡回路，C2充电时间常数为（R2+R3+R4）·C2，放电时间常数仍为R4·C2，所以振荡频率降低，变为1100Hz左右，扬声器B就发出模拟的“咚一”声。随着C1不断放电，使集成块端电位不断下降，当降至0.4V以下，振荡器停振，“咚一”消失，电路恢复原状。所以按动一次SB后，扬声器B就发出一次“叮一咚一”响声。任务3电子门铃电路的设计3）延迟电子门铃电路设计延迟电子门铃电路任务4相关知识扩展1）用门电路构成的施密特触发器用门电路构成的施密特触发器（1）电路结构4-1用门电路构成的施密特触发器（2）工作原理用门电路构成的施密特触发器工作波形图ui＝0时，＝1，＝0，uo为高电平，这是第一种稳态。RSui＝UD=0.7V时，＝1，＝1，RS触发器不翻转，uo仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态，ui继续上升到UT+=UT=1.4V时，＝0，＝1，RS触发器翻转，uo为低电平，这是第二种稳态。RSRSui上升到最大值后下降时，若ui下降到UT+，＝1、=1，RS触发器不翻转，电路仍维持在第二种稳态，RSui继续下降到UT-=UT-UD=0.7V时，＝1、＝0，RS触发器翻转，uo为高电平，电路返回到第一种稳态，RS4-1用门电路构成的施密特触发器（3）传输特性与逻辑符号a）传输特性b）逻辑符号施密特触发器前面介绍的施密特触发器的回差电压为：ΔUT＝UT＋－UT－＝UT－（UT－UD）＝UD＝0.7V。缺点是回差太小，且不能调整。4-2集成施密特触发器40106引脚排列图4093引脚排列图7414引脚排列图74132引脚排列图稳态暂稳态微分型单稳态触发器4-3微分型单稳态触发器1）电路结构以及工作波形2）工作原理在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：uo1＝1，uo2＝0。外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态。稳态波形转换图4-3微分型单稳态触发器2）工作原理电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态，在暂稳态期间，VDD经R和G1的导通工作管对C充电，随着充电的进行，C上的电荷逐渐增多，使uA升高。当uA上升到阈值电压UT时，G2的输出uo2由1变为0。由于这时G1输入触发信号已经过去，G1的输出状态只由uo2决定，所以G1又返回到稳定的高电平输出。uA随之向正方向跳变，加速了G2的输出向低电平变化。最后使电路退出暂稳态而进入稳态，此时uo1＝1，uo2＝0改进的微分单稳态触发器4-3微分型单稳态触发器3）电路的改进稳态时，ui＝1，G1、G2均导通。uo1＝0，uA＝0，uo2＝0。暂态时，ui负