电子设计论文2

四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告第1页共21页第1章绪论随着现代工业的迅速发展，关于定时器的研究也就越来越受人注。本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师给予充分的支持。本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。设计的电容定时器应该能够准确定时。根据题目的要求，确定如下方案：基于NE555电容定时器。本设计是在555定时器的基础上加上电容、电阻，利用滑动变阻控制电容充放电的时间来定时。555定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路，在工业控制、定时、仿声、电子乐器用防盗报警等方面应用较广。它主要由三个5kΩ电阻组成的分压器、两个高精度电压比较器、一个基本RS触发器、一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成。基本RS触发器由两个与非门组成，是专门设置的可从外部进行置0的复位端。555内部具有两个电压比较器。比较器有两个输入端，分别标有＋号和－号，如果用U+和U-表示相应输入端上所加的电压，则当U+＞U-时其输出高电平，U+＜U-是输出为电平，两个输入端基本上不向外电路索取电流，即输入电阻趋近于无穷大。三个阻值均为5kΩ的电阻串联起来构成分压器（555也因此而得名），为两个比较器和提供参考电压VCC/3、2VCC/3。电容是表征电容器容纳电荷的本领的物理量，非导电体的下述性质:当非导电体的两个相对表面保持某一电位差时（如在电容器中），由于电荷移动的结果，能量便贮存在该非导电体之中。本设计简洁方便并能够准确定时，其中可能也存在一些不足，恳请老师和同学给予批评和指正四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告第2页共21页第2章总体设计方案第2.1节方案展示方案1.施密特电容定时器施密特电容定时器巧妙地设置了通过改变两个并联电阻阻值以及电容充放电来定时，其当J1A或J2B断开时，其定时不同。此电路可定三时，只要改变开关即能定时。结构简单、调试方便、价格低廉，虽然可以达到一定的精度，但有时仍不能满足某些特殊要求。U1A40106BD_10VC11uFR1100kΩR210kΩJ1AKey=AJ2BKey=AR31kΩX12.5VU2A4009BCL_5V2-1图方案2：基于NE555的非稳态电容定时器基于NE555的电容定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，利用NE555、通过滑动变阻器RV1和电容C1控制时间常数τ，进而达到定时的目的。R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U1555C122uC2100nR110kD1LED-REDRV1100k2-2图四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告第3页共21页方案3：电容三极管定时器按下开关，VT1截止，VT2导通，发光二极管亮，松i开开关，当电容充电到0.7V，VT1导通，VT2截止，发光二极管灭。（大约33s后熄灭，调整R1、C可改变定时时间）。2-3图方案4：电容定时器（1）首先以异或门和非门构成同或门，以反相斯密特触发器和非门构成同相斯密特触发器。（2）开始时，电容为常态，同相斯密特触发器输入输出为低电平，反馈同或门低电平，同或门输出高电平，开关闭合后对电容进行充电，当电容电压提高到斯密特触发器的Vt+时，触发器输出跳变为高电平，反馈给同或门输出低电平对电容记性放电，电容电压降低到Vt-时，触发器输出跳的变为低电平，反馈给同或门，同或门再次输出高电平对电容进行充电。由以上充放电过程经过斯密特同相触发器形成一方波信号，此信号高电平时间为电容放电时间，低电平时间为电容充电时间。（注：Vt+，Vt-具体算法见数字电子技术基本教程228页。）（3）将方波信号输入由JK触发器构成的T触发器作为时钟信号，当电平由高到底跳变时，输出Q的电平也同样进行跳变（Q初始值为0），每跳变一次所需时间为输入方波信号的一个周期。（4）电容充放电时间由图中可变电阻进行调节。四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告第4页共21页J3Q5CLK1K2Q6S4U1:A74LS11312U2:A40106D1LED-GREENC10.5UR13k123U4:A74LS386U5NOTU3NOTRV1RES-VAR2-4图第2.2节方案论证与选择通过小组几天收集相关的资料，最终确定了上面的四种方案。分别是：施密特电容定时器；NE555非稳态电容定时器；电容三极管定时器；电容定时器。由于本次的设计在于通过电容的充放电来实现定时的目的。但基于设计理念“精，低，小，少”的要求，即设计要：低功耗、小体积、精确度、高性能、低价格和外围电路少”等几个方面。通过多方的论证，以及在实验老师的建议下我们确定采用第二种方案，运用NE555芯片构成的定时器。此种方案的优点在于：1.能够产生相对稳定的信号，定时的精度相对较高。2.要求的外围电路少，电路的体积小。3.需要的元器件少，价格低，只需要：NE555芯片（1个），电解电容（1个），瓷片电容（1个），普通电阻（1个），电位器（1个），按钮开关（1个），发光二极管（1支）。4.实验原理简单,主要由电容与NE555芯片构成的非稳态电路构成的定时器。由于有如上的多种优点，与其他几种方案比较相对的优越。通过小组内的讨论，最终决定采用——NE555非稳态电容定时器。作为设计方案。四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告第5页共21页第3章电容定时器第3.1节电容定时器的意义上一章四种方案均有优缺点，由于条件的允许，经过老师的尽心指导及我们小组的耐心讨论，我们决定采用方案二：基于NE555的非稳态电容定时器。本电路利用NE555、通过滑动变阻器RV1和电容C1控制时间常数τ，进而达到定时的目的。结构简单、调试方便、价格低廉并且定时准确是其一大特点，可以用于参与其他电路的使用。第3.2节电容定时器电路设计3.2.1电容定时器的方案此定时器是利用电容的充放电由555芯片构成的一种非稳态电路（利用产生的'方波'）来达到定时，延时的作用。通过控制电路中电阻RV1和极性电容C1的大小，来控制Tm,Ts所持续的时间（即高低电平的时间）如图3-1。1.原理图：3-1图四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告第6页共21页3.2.2电容定时器的工作原理：此定时器是利用电容的充放电由555芯片构成的一种非稳态电路（利用产生的'方波'）来达到定时，延时的作用。通过控制电路中电阻R2和极性电容C1的大小，来控制Tm,Ts所持续的时间（即高低电平的时间）如图3-3所示。T=时间期限秒（s）=频率赫兹（Hz）R1R2=欧姆电阻（）C1=法拉电容（F）在一段时间内可以分为两个部：T=Tm+Ts许多电路需要的Tm和Ts是几乎相等，这是在R2远大于R1的实现，如下图3-4所示。3-2波形图3-3电路图（1）非稳态操作工作原理：通电源后，经过R1和R2给极性电容C1充电；随着极性（+Vc1）电容C1上的电压值随时间的上升，端口2，6触发阀对电容电压输入进行监测。当Vc1上升到2Vcc/3时（比触发阀值电压高时），555芯片3-4图中基本Rs触发器复位，输出Vo=0,同时，芯片内的晶体管TD导通，使电容C1通过R2到地并放电的放电针连接到0V，输出变为低电平。当Vc1的电压下降到1Vcc/3时（比触发阀值电压低时）555芯片中的基本Rs触发器置1，输出Vo为高电平，并使芯片内的晶体管TD截止，电路进入暂稳态。此后，电压源继续给电容C1充电，这个循环不断重复，除非复位输入连接到0V迫使低，复555非稳态电路四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告第7页共21页位输出为0V外。输出将在高低电平间变化，对于充电时间常数=RC,电容的电压将按照指数的规律上升。（2）电容定时器参数计算公式：输出脉冲宽度TW为暂稳态的持续时间，即电容C的电压从0充至2Vcc/3所需的时间。根据计算RC电路过渡过程的公式得：T=Ts+Tm=(R1+2R2)Cln2Tm=(R1+R2)Cln(Vcc-VT-)/(Vcc-VT+)=(R1+R2)Cln2Ts=R2Cln(0-VT+)/(0-VT-)=R2Cln2由上式可知：①.改变R、C的值，可改变输出脉冲宽度，从而可以用于定时控制。②.对于电路中的C而言，我们通常采用极性定值电容，通过改变电阻R的方法来改变时间常数。这样能避免应改变电容而产生的波动，不准确！而达不到定时的准确目的。（3）电阻R1，R2和电容C1的选择R1和R2应该在范围1K至1M。最好先选择C1的电容值。C1的选择适合您需要的频率范围（使用如下3-3图表为指南）3-5图555非稳态频率（参数对照表）C1R2=10kR1=1kR2=100kR1=10kR2=1000kR1=100k0.001μF68kHz6.8kHz680Hz0.01μF6.8kHz680Hz68Hz0.1μF680Hz68Hz6.8Hz1μF68Hz6.8Hz0.68Hz10μF6.8Hz0.68Hz0.068Hz四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告第8页共21页（4）占空比非稳态电路的占空比为高电平持续的时间比上一个完整的周期。通常是给出一个百分比，对于一个标准的电容555非稳态电路的Tm必须大于Ts，所以占空比必须至少50％：占空比q=Tm/(Tm+Ts)=(R1+R2)/(R1+2R2)占空比的大小将影响到定时器，中发光二极管的闪烁频率上。第3.3节电容定时器主要元器件介绍3.3.1NE555芯片的工作原理:555集成时基电路称为集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。它的内部电压标准使用了三个5K的电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，两者的工作原理和结构相似。555和7555是单定时器，556和7556是双定时器。双极型的电压是+5V~+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压是+3V~+18V。555芯片的内部电路结构如下图3-6所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告第9页共21页当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。RD是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。Vc是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1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，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。下图3-7为NE555芯片的内部框图3-6图3.3.2电解电容的工作原理：单位体积内电容量最大的电容器是由铝或钽制成的电解电容。它们的基本结构是浸在电解液中的两个极板（图3-7.a）。单个或两个电极用一层极薄的铝或钽的氧化物包裹，形成具有很高介电常数和良好电性能的薄膜。电解液使薄膜和电极间接触。电容器整体被放在抗漏性能好的金属壳内。在阴极与阳极之间加直流电压后形成一层介电膜，从而使电极永远极化。如果两块极板都极化形成介电膜，就可得到无极性电容，其容量为相同的极性电容器容量的一半。四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告第10页共21页固体阳极钽电容是由带氧化钽膜的烧结阳极小球组成小球被涂了一层二氧化锰固体电解质，二氧化锰膜就成了阴极。这种结构比其他电解电容器结构具有更好的电学性能。图3-7.b所示为固态钽电容的表面贴装形式。注意极性总是标注在电容体上。a.b.图3-7为电解电容表征电容器容纳电荷的本领的物理量。我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所