数字电子技术项目五

目录流水彩灯的设计与调试项目分析都市的夜晚，霓虹灯闪烁变幻；绚丽的舞台，七彩的灯光色彩缤纷。变幻的彩灯已经成为人们日常生活不可缺少的点缀，那么这些变化的灯光是如何控制的呢？这就是我们下面要讨论的项目——流水彩灯的设计与调试。所谓流水彩灯是指灯管依目录流水彩灯的设计与调试项目分析在实际工作中，能够实现流水彩灯控制要求的电路形式或方案很多，本项目从学习应用数字电子技术知识的角度考虑，介绍以中小规模集成电路设计和仿真分析制作流水彩灯的方法。（1（2（3）该控制电路具有8目录流水彩灯的设计与调试图5-1流水彩灯控制电路框图目录流水彩灯的设计与调试完成流水彩灯电路的设计。画出流水彩灯电路的逻辑图。完成流水彩灯电路的仿真调试。要完成流水彩灯电路的设计，需要多个数字电路知识模块的综合应用，相应的知识环节如图5-2所示。本项目需要完成内容目录流水彩灯的设计与调试图5-2流水彩灯电路设计的知识环节目录流水彩灯的设计与调试1.了解555电路的逻辑功能；2.了解单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器的工作原理；目录流水彩灯的设计与调试1.掌握555电路的仿真测试；2.掌握555电路的简单应用；3.能使用仿真软件进行555应用电路的设计。目录流水彩灯的设计与调试仿真测试555电路的逻辑仿真测试555电路的简单应用目录流水彩灯的设计与调试仿真测试555电路的逻辑目录流水彩灯的设计与调试任务目标在数字电路系统中，常常需要用到各种脉冲波形，例如，时钟脉冲、控制过程的定时信号等。这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号发生器直接产生；另一种是通过对已有信号进行变换，使之满足系统的要求。集成555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路，该电路巧妙地将模拟功能与逻辑功能结合在一起，具有使用灵活、方便的特点，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，因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。集成555定时器的常见名称有555定时器、555时基电路、三五集成电路、555定时电路等。本任务就是通过仿真测试的方式，学习555定时器的基本逻辑功能。目录流水彩灯的设计与调试知识链接一、555定时器的电路结构与工作原理1.555定时器内部结构（1）由三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器。（2）两个电压比较C1和C2图5-4所示。,1;,0OO。目录流水彩灯的设计与调试（3）基本RS触发器。（4）放电三极管T及缓冲器G。图5-4电压比较器目录流水彩灯的设计与调试2.工作原理图5-5555定时器的电气原理图和电路符号目录流水彩灯的设计与调试目录流水彩灯的设计与调试目录流水彩灯的设计与调试二、555定时器构成单稳态触发器单稳态触发器具有下列特点：第一，它有一个稳定状态和一个暂稳状态；第二，在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；第三，暂稳状态维持一段时间后，将自动返回到稳定状态。暂稳态时间的长短，与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。单稳态触发器在数字系统和装置中，一般用于定时（产生一定宽度的脉冲）、整形（把不规则的波形转换成等宽、等幅的脉冲）以及延时（将输入信号延迟一定的时间之后输出）等。目录流水彩灯的设计与调试1.电路组成及工作原理图5-6用555定时器构成的单稳态触发器及工作波形目录流水彩灯的设计与调试1)无触发信号输入时电路工作在稳定状态当电路无触发信号时，vI保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端vO保持低电平，555内放电三极管T饱和导通，管脚7“接地”，电容电压vC为0V。2)vI下降沿触发当vI下降沿到达时，555触发输入端（2脚）由高电平跳变为低电平，电路被触发，vO由低电平跳变为高电平，电路由稳态转入暂稳态。3)暂稳态的维持时间在暂稳态期间，555内放电三极管T截止，VCC经R向C充电。其充电回路为VCC—R—C—地，时间常数τ1=RC，电容电压vC由0V开始增大，在电容电压vC上升到阈值电压2/3VCC之前，电路将保持暂稳态不变。目录流水彩灯的设计与调试4)自动返回（暂稳态结束）时间当vC上升至阈值电压2/3VCC时，输出电压vO由高电平跳变为低电平，555内放电三极管T由截止转为饱和导通，管脚7“接地”，电容C经放电三极管对地迅速放电，电压vC由2/3VCC迅速降至0V（放电三极管的饱和压降），电路由暂稳态重新转入稳态。5)恢复过程CT放电，时间常数τ2=RCESC（RCES是T的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此τ2之值亦非常小），经过（3～5）τ2后，电容C放电完毕，恢复过程结束。目录流水彩灯的设计与调试2.主要参数估算1)输出脉冲宽度tW输出脉冲宽度就是暂稳态维持时间，也就是定时电容的充电时间。t1.1WRC2)输出脉冲宽度tW一般取tre=（3～5）τ2，即认为经过3～5倍的时间常数电容就放电完毕。目录流水彩灯的设计与调试3)最高工作频率fmax若输入触发信号vI是周期为T的连续脉冲时，为保证单稳态触发器能够正常工作，应满足下列条件。WreTtt即vI周期的最小值Tmin应为tW＋tre，即minWreTtt目录流水彩灯的设计与调试因此，单稳态触发器的最高工作频率应为maxmin11WrefTtt目录流水彩灯的设计与调试图5-7所示是触摸式定时开关控制电路，电路中利用555定时器构成的单稳态触发器，只要用手触摸一下金属片P，由于人体感应电压相当于在触发输入端（管脚2）加入一个负脉冲，555输出端（管脚3）输出高电平，灯泡（RL）发光，当暂稳态时间（tW）结束时，555输出端恢复低电平，灯泡熄灭。该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由RC参数调节。案例触摸式定时控制开关目录流水彩灯的设计与调试图5-7触摸式定时控制开关电路目录流水彩灯的设计与调试三、多谐振荡器（一）用555定时器构成的多谐振荡器1.钢梁安装图5-8用555集成电路构成的多谐振荡器目录流水彩灯的设计与调试2.振荡频率的估算目录流水彩灯的设计与调试（二）占空比可调的多谐振荡器电路在图5-8所示电路中，由于电容C的充电时间常数τ1=（R1+R2）C，放电时间常数τ2=R2C，所以T1总是大于T2，vO的波形不仅不可能对称，而且占空比q不易调节。利用半导体二极管的单向导电特性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器，如图5-9所示。图5-9占空比可调多谐振荡器目录流水彩灯的设计与调试目录流水彩灯的设计与调试（三）石英晶体多谐振荡器1.石英晶体的选频特性石英晶体有两个谐振频率。当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0f=fp石英晶体的选频特性由晶体本身的特性决定，其值为fs≈fp≈f0（晶体石英晶体的选频特性极好，f0十分稳定，其稳定度可达10-10～10-11。石英晶体的电抗频率特性和符号,如图5-10所示。目录流水彩灯的设计与调试图5-10石英晶体的电抗频率特性和符号目录流水彩灯的设计与调试2.石英晶体多谐振荡器图5-11石英晶体多谐振荡器目录流水彩灯的设计与调试图5-12CMOS石英晶体多谐振荡器目录流水彩灯的设计与调试图5-13是用多谐振荡器构成的电子双音门铃电路。当按钮开关AN按下时，开关闭合，VCC经D2向C3充电，P点（4脚）电位迅速充至VCC，复位解除；由于D1将R3旁路，VCC经D1、R1、R2向C充电，充电时间常数为（R1+R2）C，放电时间常数为R2C，多谐振荡器产生高频振荡，喇叭发出高音。当按钮开关AN松开时，开关断开，由于电容C3储存的电荷经R4放电要维持一段时间，在P点电位降至复位电平之前，电路将继续维持振荡；但此时VCC经R3、R1、R2向C充电，充电时间常数增加为（R3+R1+R2）C，放电时间常数仍为R2C，多谐振荡器产生低频振荡，喇叭发出低音。当电容C3持续放电，使P点电位降至555的复位电平以下时，多谐振荡器停止振荡，喇叭停止发声。调节相关参数，可以改变高、低音发声频率以及低音维持时间。案例1双音门铃目录流水彩灯的设计与调试图5-13用多谐振荡器构成的双音门铃电路目录流水彩灯的设计与调试CMOS石英晶体多谐振荡器产生f=32768Hz的基准信号，经T′触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒信号。这种秒脉冲发生器可作为各种计时系统的基准信号源，如图5-14所示。案例2秒脉冲发生器目录流水彩灯的设计与调试图5-14秒脉冲发生器目录流水彩灯的设计与调试四、施密特触发器施密特触发器具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲，成为适合于数字电路需要的脉冲，而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。目录流水彩灯的设计与调试五、用555定时器构成的施密特触发器1.电路组成及工作原理图5-15555定时器构成的施密特触发器目录流水彩灯的设计与调试目录流水彩灯的设计与调试2.电压滞回特性和主要参数目录流水彩灯的设计与调试图5-16施密特触发器的电路符号和电压传输特性目录流水彩灯的设计与调试六、集成施密特触发器1.CMOS集成施密特触发器图5-17CC40106和74LS14引脚功能图目录流水彩灯的设计与调试2.TTL集成施密特触发器输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作。对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿。带负载能力和抗干扰能力都很强。目录流水彩灯的设计与调试3.施密特触发器的应用举例用作接口电路。将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形，如图5-18所示。（1）图5-18慢输入波形的TTL系统接口目录流水彩灯的设计与调试用作整形电路。把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲，如图5-19所示。（2）图5-19脉冲整形电路的输入输出波形目录流水彩灯的设计与调试用于脉冲鉴幅。将幅值大于VT+的脉冲选出，如图5-20所示。（3）图5-20用施密特触发器鉴别脉冲幅度目录流水彩灯的设计与调试仿真测试555电路的简单应用目录流水彩灯的设计与调试任务目标由于555定时器功能强大，使用时外接电路简单，实际应用中有很多包含有555定时器的应用电路，本任务仅举几个简单的应用实例，介绍555定时器在实际应用中的使用。使用者可通过这些实例举一反三，再多查些555定时器应用的例子，就本任务就是通过仿真测试的方式，学习555定时电路的简单应用。目录流水彩灯的设计与调试知识链接1.接近开关的设计接近开关电路如图5-26所示，接近开关以555定时器为核心组成单稳态触发电路。555定时器的触发端2脚（TRI）通过大电阻R1接VCC体接近或触摸金属板电极时，由于感应信号，555定时器被触发，输出一单稳脉冲（如图中电压表显示的5V）。C1用于抗干扰滤波。该电路可用于电器、玩具或报警电路中。本例中触摸金属板电极用开关S1代替。输出端接一发光二极管作为输出电压的指示。目录流水彩灯的设计与调试图5-26接近开关电路目录流水彩灯的设计与调试2.救护车警笛电路用两个555定时器构成低频信号对高频调制的救护车警笛电路，如图5-27所示。该电路的本质是由两个多谐振荡器构成的模拟声响发生器。调节定时元件R1、R2、C2使第1个振荡器的振荡频率为714Hz，调节R3、R4、C4使第2个振荡器的振荡频率为10kHz。由于低频振荡器的输出端3接到高频振荡器的复位端4，因此当振荡器U1的输出电压uO1为高电平时，振荡器U2就振荡；uO1为低电平时，振荡器U2停止振荡。接通电源，试听音响效果。调换外接阻容元件，再试听音响效果。从而扬声器便发出“呜……呜……”的间隙声响。uO1和uO2的波形如图5-28所示。目录流水彩灯的设计与调试图5-27救护车警笛目录