基于某555声频发生器地设计与实现.doc

基于555声频发生器的设计与实现通过555定时器构成施密特触发器和多稳态电路来实现的声频发生器，555构成的施密特触发器实现定时，多谐振荡器产生振荡，通过扬声器发出声音。555定时器是中规模集成时间基准电路，可以方便地构成各种脉冲电路。因输入端设计有三个5k的电阻而得名，一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压X围宽，可在5-16V工作，最大负载电流可达200mA，7555可在3-18V工作，最大负载电流可达4mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。555定时器外形为双列直插8脚结构，本钱低，性能可靠，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器与自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。方案选择论证方案一：用AT89C51单片机设计的声频发生器。它仅需最小系统再加一片LM386做音频小功放驱动扬声器发生。不同的声频需要有不同固定周期的脉冲信号，图1要产生声频脉冲。只要算出声频的周期T(1/f)，然后将此周期除以2，即为半周期的时间。我们利用单片机的内部定时器T0，使其工作在计数器模式MODE1下，初始化适当的计数值TH0与TL0以计时这个半周期时间，每当计时时间到后就将输出脉冲的P1.0口反相。然后重复计时此半周期时间，再对P1.0口反相，就可以在单片机P1.0引脚上得到此频率的脉冲。P1.0引脚脉冲接LM386作声频功放，然后输出到扬声器，从而发出声音。方案二：用555定时器制作声频发生器。555定时器是中规模集成时间基准电路，可以方便地构成各种脉冲电路。由于其使用灵活方便，外接元件少，因而在波形的产生与变换、工业自动控制、定时、报警、家用电器等领域得到了广泛应用。555定时器常组成多谐振荡器、施密特触发器、单稳态电路、本课题研究的是利用2个555定时器构成施密特触发器和多谐振荡器组成声频发生器。由于AT89C51单片机设计的声频发生器的本钱比555定时器制作的声频发生器本钱高，且555定时器使用灵活方便、外接元器件少。即选择方案二。5.1 施密特触发器我们知道，双稳态电路或双稳触发器是一种有两个以上的输入端和输出端的电路。它的输出状态是由输入状态、输出原来的状态和触发器的性能决定的。它的输出有两个稳定状态，两个输出端Q和总是处在相反的状态，好似跷跷板那样总是一高一低，当输出装态度稳定后，即使把输入信号撤出，输出的稳定状态也能一直保持下去，直到下一次输入信号到来时才会做出反响。由于这种电路有两种稳定状态，电路又必须靠外加脉冲的触发才能翻转，所以我们把这种电路称为双稳触发器电路或简称双稳电路。常用的双稳触发器有R-S触发器、D触发器、J-K触发器、施密特触发器等好几种。由于555声频发生器的第一个555是由施密特触发器构成，在这里我们主要介绍施密特触发器。施密特触发器是双稳触发器的一种。它只有一个输入端Vi和以输出端VO。对555电路来讲，只要把它的两个输入端TH端和端合并成1个输入端，它就成为1个施密特触发器。见图8a。从性能上看，它有两个特点：1它的输出端也有两个稳定状态，但它的输出状态不仅和输入信号的状态有关，而且还要靠输入信号的电位来维持。对一般的触发器，如R-S触发器、D触发器等，在输入信号使输出状态翻转以后即使把输入信号撤除，输出状态也不会变化，这就是触发器的记忆或存放功能。施密特触发器的性能和一般触发器不同，它的输出状态在翻转以后还要靠输入信号的电位来维持。如果把输入信号撤除，它的输出状态又会重新翻转回去。2它的输入端是输出状态翻转的阈值电压有两个不同的值，它们的差值叫做回差电压。它的输出输入曲线是一个矩形的回差曲线。施密特触发器的回差曲线和回差电压是它的最主要的特点。a施密特触发器b 回差特性曲线图8 施密特触发器和回差特性曲线5.1.2 555施密特触发器的回差特性在555施密特触发器的输入端加一个变化的电压，然后看它的输出变化。1假定在输入端Vi加一个从零开始上升的电压。一开始输入电压Vi=0时。相当于R=0、=0，输出Vo为高电平“1。这是施密特触发器的第一个稳态。当输入电压上升到在1/3 VCC <Vi<2/3 VCC 之间时，相当于R=1、=1，保VO持高电平“1。当输入电压上升到Vi>2/3 VCC时，相当于R=1、=0，输出翻VO转成低电平“0，即从第一稳态翻转到第2稳态。以后当输入电压继续上升到最高为VCC时，输出一VO直保持低电平“0。输出电压与输入电压的关系是图8b的曲线，它是沿着aàbàcàdàe变动的。2现在假定输入电压Vi从最高值逐渐VCC下降。一开始输入电压是高电平，输出是低VO电平“0。输入电压逐渐下降在不小于1/3 VCC时，输出一直VO维持低电平“0。当输入电压下降到Vi<1/3 VCC，R=0。=0，输出翻VO转成高电平“1。即从第2稳态又翻转回到第1稳态。以后到输入电压降为零，输出VO一直保持高电平“1。输出电压与输入电压的关系是图8c的曲线，它沿着eàdàfàbàa变动的。3把这两根曲线合并起来可以拼成一根曲线见图8d。从这根曲线可以全面清晰地说明输出电压和输入电压的关系。表3.详细地标注出各段曲线的形成过程。从这根曲线的形状来看。它有一个矩形的框。矩形框的左右两个边所对应的输入电压Vi值就是它的两个阈值电压，也就是说输入当电压从不同方向变动时，是输出的电压和翻转的阈值电压是不相等的。这两个阈值电压中，较大的那个称为上触发电平或上鉴别阈Vt+，较小的那个称为下触发电平或下鉴别阈Vt-。两者的差值称为回差电压或滞后电压Vt，从图上看它就是这个矩形的宽度。在不加控制电压的情况下，555施密特触发器的回差电压是：Vt=Vt+-Vt-=2/3VCC-1/3 VCC =1/3 VCC。如果在电压控制端VC加上辅助电压，就可以调整施密特触发器的回差电压。早在100年前，科学家就发现磁铁材料的磁感应强度B和外加磁场强度H之间有这种关系。那是把这种现象称为磁滞现象，把铁磁材料的B-H曲线叫做磁滞特性曲线或磁滞回线。因此我们把施密特触发器的这根曲线也叫做回滞曲线或滞后曲线。这根曲线是施密特触发器特有的，所以在图形符号上就用这曲线的形状来表示施密特触发器。由于施密特触发器有这种滞后的特性以与它常被用做比拟器和鉴幅器使用，所以有时也把施密特触发器叫做滞后比拟器。5.1.3 555工作方式简易识别法要从各种555应用电路中识别它是否属于施密特触发器工作方式，只要看它的输入端，一般都是把两个输入端并作1个使用，有时也只可能只用一个输入端。不管电路的形势如何变化，施密特触发器只有一个输出，这是它的特点。施密特触发器通常都用作波形整形、波形变换、检测电路和电子开关等。5.2 无稳类电路无稳电路就是多谐振荡电路，是555电路中应用最广的一类。电路的变化形式也最多。为简单起见，也把它分为三种，直接反响型、间接反响型、压控振荡器。 本课题中用到的是多谐振荡电路中的间接反响型电路。上面我们介绍了555的单稳和双稳电路。双稳电路有2个稳态，单稳电路由1个稳态和1个暂稳态。无稳电路由2个暂稳态，没有稳态。它不需要外脉冲的触发就能自动的从一种暂稳态翻转到另一种状态。它的输出状态是不断地在从高到低和从低到高交替翻转的，它的输出是一串连续的矩形脉冲，因此实际上它就是一个脉冲振荡器。因为它没有稳态，所以被称为无稳电路或非稳电路。又因为它的输出是矩形脉冲，根据脉冲电路理论，一个矩形脉冲可以看成是由这个脉冲的基频的正弦波和许多频率是基频整数倍而幅度不等的正弦波叠加起来合成的。而且还有不需要外脉冲触发就能自动震荡起来的特点，所以脉冲震荡器又称为多谐自激振荡器，简称多谐振荡器。5.2.1 直接反响式555多谐振荡器利用555施密特触发器的回滞特性，在他的输入端接一个电容C，再在输出和输入之间接一个电阻R，就组成一个直接反响是多谐振荡器，直接反响式555多谐振荡器自动震荡：1刚接通电源时，电容C上电压为零，对555等效触发器来讲，相当于R=0、=0输出应为高电平：VO=1。于是电源电压通过内阻R01、等消暑触开关SA0、电阻Rf向电容C充电，如图10a。电容C上电压增长的曲线如图10c中VC曲线的ab段。 bc 图10 直接反响式555多谐振和Rf的充放电过程2当C上电压上升到大于上阈值电压V时，等效触发器的输入成为R=1、=1,输出就翻转成低电平：VO =0。于是C上的电荷通过电阻Rf、等效输出开关SA0、内阻R02放电入地，如图10b。C上的电压下降的曲线如图10c中VO曲线的bc段。3当C上电压逐渐下降到低于下阈值电压Vt-1/3VC时，输入又成为R=0、=0，输出有翻转成高电平：VO =1。于是电源电压又向C充电，重复图8a的充电过程。电容C的充电曲线如图10c中VC曲线的cd段。4当C上电压有上升到大于VT+时，重复图10b的放电过程。由于施密特触发器有2个不同的阈值电压，所以电容C就在2个阈值电压之间交替地充电和放电，循环不已，它的输出电压就成为遗传连续的矩形脉冲，见图10c中VO的波形。因为555电路的输出内阻R01和R02都很小，和Rf相比可以忽略不计，所以充电时的暂稳态t1和放电时的暂稳态t2分别是：t1fC，t2fC，T= t1+ t2ffC，式中：Rf的单位是秒，f的单位是赫兹。例Rf=68K，C=0.01F，f约为1kHz。可见555多谐振荡器的振荡频率f只和电阻Rf和电容C的数值有关。改变电阻Rf和电容C的数值可以做成从0.1赫到1兆赫的脉冲振荡器。但是这个振荡电路有2个缺点：一个是振荡频率较高、电阻Rf的阻值较小时，电容的充放电电流比拟大，而S的CB7555的输出管所能承受的电流能力较小，充放电电流可能会烧坏输出管。另一个是电路的负载也接在输出端VO上，当负载电流较大时会影响电容的充放电，是输出电压降低，充放电时间变化，振荡频率不稳，有没有更好的方法，把负载电路和充放电电路分开提高振荡器的质量呢？5.2.2 间接反响式555多谐振荡器555的放电端“DIS“7的作用。就是它和输出端VO有一样的逻辑功能：1VO =1时，Q =0，内部放电开关SA'断开，DIS端开路，相当于高电平“1。2VO =0时，Q =1，内部放电开关SA'闭合，DIS端接地，相当于低电平“0。因此用放电端DIS代替输出端VO，从逻辑上讲是完全可以的。但是为了要取得充电能源，还要增加一个充电电阻，成为有两个反响电阻和RA的RB电路，如图11a。经过这样的改动后，就把负载电路和充放电电路完全分开了。也就是说，充放电电流不再受负载的影响。另外从电特性上讲：S的CB7555放电管的放电电流IDIS比拟大，可以看到50mA双极型的CB555更大，可有200mA，比它的输出驱动电流IL约为20mA要大1.5倍。所以这样改动后的第二个好处是电路能承受电容充放电的能力提高了，电路工作起来更加安全可靠了。所以在实际应用中，555多谐振荡器电路几乎都是改良了的间接反响式电路。要从众多的555应用电路中识别它是否是无稳电路还是从它的输入端入手。一是看它的输入端有没有电阻电容，因为电阻电容是振荡电路必须具备的条件。但同样是电阻电容，有时可能是定时电阻定时电容。所以第二步是看它的输入端的连接方法。因为振荡的条件是必须有从输出到输入的正反响通路，所以无稳电路输入端必有一个电阻是连到电源端或VO端的。绝大多数的555无稳电路是间接反响式，因此当电路输入端接成从电源经“RA-7- RB-6.2-C入地的形式，肯定是间接反响式的无稳电路。也有少数只用一个反响电阻的电路：这个电阻直接把VO和输入端连接起来，即直接反响式电路；间接反响式电路中的RB省掉成为7、6、2三点短接的形式。此外，为了某种需要，也可能在电路中增加一些辅助元件或使用各种传感器。这时就应该先细心地把这些辅助电路和主要振荡电路分开，然后按振荡电路的结构形式去识别它们。另外，从用途上也很容易识别电路是不是无稳电路。555无稳电路的主要功能是产生各种脉冲波。因此做成各种信号发生器正是发挥了它的专长。在振荡器的根底上加上扬声器、发光二极管、继电器等辅助元件就可以使它发声、闪光、完成各种动作，于是就可做成各种各样的音响和报警器、电子玩具、游戏机以与各种控制器。即使是在作电源变换器使用时，也是按照振荡原理，先把直流变成交流。用这种方法变换电压的数值或是变换电压的极性。它的工作任然没有离开振荡X围。因此从电路的用途上我们也能大致的判断它是不是无稳电路。有一种振荡器，它的输出频率是随着输入电压的变化而变化的，或者说它的输出频率受输入电压控制的。我们把这种振荡器叫做电压控制振荡器，简称压控振荡器VCO。压控振荡器在锁相技术。模/数转换技术、脉冲调制等方面有广泛的用途，它是一种很重要的部件，压控振荡器还因为它在不同场合有不同的功能而分别被称为压频变换气VFC、脉冲调制电路PWM和脉冲调制电路PPM等等。识别压控振荡器的方法，第一步要按无稳电路或单稳电路的识别方法加以识别和确认。第二步再看它的电压控制端是否有控制电压。还有一些比拟复杂的555压控振荡器，为了提高工作质量，在它的输入端加油辅助器件如场效应管、运算放大器等，它的控制电压是加在这些辅助器件的输入端的，它同样能起到控制输出频率的作用。