光控定时器2.doc

1、1一、555 时基集成电路555 时基电路是一种应用很广泛的集成电路，它将模拟电路与数字电路巧妙地结合在一起，具有可以灵活使用的引出端，并且输出端具有比较强的带动负载的能力，555 时基集成电路的电源电压适应范围较广，约为 318V。其最大输出流为：工作电压等于 15V 时可达 200mA，可直接驱动继电器、可控硅等常用的控制元器件。常见的 555 时基集成电路有NE555、LM555、5G1555 等等。还有一种 * 556 的集成电路芯片，其内部是由两个独立的 555 电路封装在一起，可作为两块 555 电路单独使用。【1】 、555 时基集成电路的内部电路结构其内部电路结构包括：一个由三

2、个等值电阻组成的分压器、两个比较器、一个基本 RS触发器、输出缓冲级和放电回路。555 时基集成电路的内部方框图：1、电阻分压器：由 3 个等值的电阻 R1、R2 和 R3 串联后，两端分别接到 VDD和 VSS，作用是将 VDD分压成为：U1 = VDD 和 U2 = VDD 312、 两个比较器 N1 和 N2：(1)、N1 的正相输入端，作为 555 电路的 TH（阈值端、6 脚)。N1 的反相输入端，在电路内部接到分压器的 U1，作为 555 电路的 CV（控制端、5 脚)。N1 的输出端，接到内部的 RS 触发器的 R（置“1” ）端(2)、N2 的正相输入端，在电路内部接到分压器的

3、 U2端。 （没有引出端）N2 的反相输入端，作为 555 电路的 （触发端、2 脚) 。TN2 的输出端，接到内部的 RS 触发器的 S（置“0” ）端(3)、两个比较器 N1 和 N2 的输入端与输出端的关系为：倒相缓冲输出RS QR2R1R3 GDSQ1任任任1任任任2触发器放 电 管12345678VDDVSS任任任任任任任任任任任任N1N2 QTHCVTRROUTDISRG DSQ1R1R2R31G41G625648VDD1VSS73(U1)(U2)+-N1+-N21G31G21G1任任任2任任任1任任任1G5R-S触 发 器RSQRQQDISRTRCVTHOUTTRIG6Q5R4C

4、Volt3THR2DIS 1VCC14GND7U1ANE556TRIG8Q9R10CVolt11THR12DIS 13U1BNE556. .556“双 555时 基 集 成 电 路 ”引 出 脚 示 意 图2当比较器的两个输入端为 U+U- 时：比较器输出为高电平。当比较器的两个输入端为 U+U- 时：比较器输出为低电平。3、 带复位端的 R-S 触发器：(1)、两个比较器 N1 和 N2 的输出端接到 R-S 触发器的两个输入端（R、S） 。(2)、RS 触发器的复位端( )直接成为 555 电路的复位使能端（ ） ，当 555 电路的复位RR使能端（ ）为低电平时，R-S 触发器的输出端(

5、Q)为固定高电平，经倒相缓冲输出级，使 555 电路的输出端总是低电平，此状态为 555 电路复位状态。(3)、R-S 触发器输出端(Q)的高电平，使放电管导通。(4)、两个比较器的输出端（N1 和 N1）与 R-S 触发器的逻辑关系为：当 R-S 触发器的复位端 = 0 时，R-S 触发器电路复位：不管两个比较器输出端的状R态如何，R-S 触发器的输出总是高电平，故此时，不论 555 时基集成电路的 TH、CV、三个输入端为何值，R-S 触发器的输入状态如何，555 电路的输出端 OUT 的输出总是为TR低电平。 （555 电路复位）当 R-S 触发器的复位端 = 1 时，R-S 触发器电路

6、正常工作，逻辑关系为： 两个比较器的输出，N1 = 1，N2 = 0 时，则 R-S 触发器的输出端，Q = 1，两个比较器的输出，N1 = 0，N2 = 1 时，则 R-S 触发器的输出端，Q = 0，4、 倒相缓冲输出级和放电管：（1） 、非门 G6 构成倒相缓冲输出级，作用是使电路具有较大的带动负载的能力和起缓冲的作用。（2） 、Q1 为内部的放电管，作用是，在进行设计具体电路作为为辅助电路使用。（3） 、Q1 可以是场效应管，也可以是晶体管。当放电管栅极（基极）为高电平 1 时，放电管导通；当放电管栅极（基极）为低电平 0 时，放电管截止。（4） 、根据电路结构可见：555 电路的输出

7、端为低电平（0）时，放电管导通。555 电路的输出端为高电平（1）时，放电管截止。5、 由或非门 G1、G2、G3 和非门 G4、G5 构成带复位端的 RS 触发器：（1） 、 由两个或非门 G1 和 G2 构成基本 R-S 触发器，G1 的一个输入端作为触发器的置 0端（RD） ；G2 的一个输入端作为触发器的置 1 端（SD） ，G2 的输出端作为触发器的输出端（Q） 。（2） 、 由或非门 G3 和非门 G4、G5 构成复位电路及输出电路。（3） 、 当 = 0 时，非门 G5 的输出为 1，致使或非门 G3 的输出固定为 0， （有 1 出 0）从而使非门 G4 的输出也固定为 1，此

8、时不管 R-S 触发器的输入端 R 和 S 的状态如何，其输出端（Q）的状态都为 1。 （即 R-S 触发器复位）（4） 、 当 = 1 时，R输入端 R = 1，S = 0 时，输出端 Q = 0。输入端 R = 0，S = 1 时，输出端 Q = 1。6、基本 R-S 触发器： 可参考数字电子技术基础4.2.1（1） 、用两个或非门或者两个与非门可以构成最简单的触发器，即基本 R-S 触发器。（2） 、两个或非门构成的 R-S 触发器：RD 为复位端，也称之为直接置 0 端，由于 RD 为高电平时使触发器置 0，故称 RD 高电平有效。 SD 为置位端，也称之为直接置 1 端，不管触发器原

9、状态如何，SD 为高电平时都将给3TR2Q3R4CV5TH6 DIS7VCC8GND1U555 t t23Uout2 VDDtt2123VDDUout1RUinUinUout1VDD由 555电 路 构 成 施 密 特 电 路 波 形 图.触发器置 1，所以置位端 SD 也是高电平有效。（3） 、用与非门构成的 R-S 触发器和用或非门构成的 R-S 触发器具有完全相同的逻辑功能，但是它们的触发电平不同，前者的触发信号为低电平有效，后者的触发信号为高电平有效。【2】 、555 电路的 TH、CV、TR输入端、DIS 放电端与 OUT 输出端的关系：1、 当 TH 输入端电压大于 2/3 VDD

10、时，比较器 N1 输出为 1，此时 输入端电压也大于TR1/3 VDD，比较器 N2 输出为 0，因此触发器输出端 Q = 1，结果是 OUT 输出为 0，放电管 DIS 也因 Q 的输出为 1 而导通。2、 当 TH 输入端电压小于 2/3 VDD时，比较器 N1 输出为 0，此时 输入端电压大于 1/3 VDD，比较器 N2 输出为 0， （因为 是 N2 的反相输入端） ，因此 Q 输出端为 0，放电管TRDIS 也因 Q 的输出为 0 而截止。RS 触发器原来状态不变， （即若原来状态是 Q = 1。R-S触发器状态也保持不变） 。3、 当 TH 输入端电压小于 2/3 VDD时，比较

11、器 N1 输出为 0，此时 输入端电压小于 1/3 TRVDD，比较器 N2 输出为 1，因此 Q 输出端为 0， ，结果是 OUT 输出为 1，放电管 DIS 也因Q 的输出为 0 而截止。4、 第 1 脚是接地端、第 8 脚是电源输入端、第 5 脚是 CV 控制端，如果外接一个电压，则可以改变触发电压的阈值，不使用它的时候，可将其悬空或者经一个 0.01u 的电容接地。其余引脚的功能可参考功能表 。555 时基集成电路一般应用可归纳为：单稳态触发器、双稳态触发器（多谐振荡器）和施密特电路。下图为 555 电路构成施密特电路的原理图和输入/输出波形图：由 555 时基集成电路构成的施密特电路

12、。DIS 任任OUT 任任R 任任TR 任任TH 任任 2 任 3 任4 任6 任 7 任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任 任任 任VDD VDDVDD2 111功 能 表323333324.C RSR 4060的 内 部 结 构 方 框 示 意 图10 11OUT INOUTCKRQD1CKRQD2CKRQD3 CKRQD4CKRQD5CKRQD6CKRQD8CKRQD9CKRQD10CKRQD11CKRQD12CKRQD13CKRQD14Q1 Q2 Q3Q4 Q5Q6Q7Q8Q9Q10Q11Q12Q13Q143 12 15 1312 7 594RST14

13、 6内 部 振 荡 器168VCCGND.CKRQD7二、4060 - 二进制 14 级加法计数器 /振荡器 参考数字电子技术基础417 页、287页4060 是一个 COMS 数字集成电路，其内部主要由一个“RC 环形振荡器电路”和 “14位二进制加法计数器”构成。在 4060 集成电路的内部，集成了三个串连在一起的非门，只要外接一个电容和两个电阻便可构成一个完整的 RC 环形振荡器：在 4060 的 9 脚（OUT）接一只反馈电容 C，在 10脚（OUT）接上一只反馈电阻 R，在 11 脚（IN）接上一只限流电阻 RS，再把这三只元件剩余的引脚接在一起，便构成了一个 RC 环形振荡器电路。

14、振荡器的振荡周期为:T = 2.2 R C。在 4060 集成电路的内部还集成了 14 个级联的 T 触发器成为 14 级二进制加法计数器。并且内部振荡器的输出已经连接到第一级触发器的输入端。在这个 14 级计数器中，只有 Q4（7 脚） 、Q5（5 脚） 、Q6（4 脚） 、Q7（6 脚） 、Q8（14脚） 、Q9（13 脚） 、Q10（15 脚） 、Q12（1 脚） 、Q13（2 脚） 、Q14（3 脚）共 10 个输出端子有引脚引出，而 Q1、Q2、Q3、Q11 的输出端子则没有引出脚。如下图为 4060 的内部结构方框示意图：当计数器的复位端（RST 、12 脚）置低电平时，内部的计数

15、器正常计数（高电平清零、停止计数） ， 此时可在计数器输出端 Qn 得到内部振荡器振荡周期的 N 次 2 倍周期的脉冲信号或振荡频率的 N 次二分频的脉冲信号。这里的 Qn 指的是第 N 级计数器的输出端。内部振荡器脉冲周期计算公式：振荡周期: T = 2.2 R C 振荡频率: 2.1F如果当 R 100K 、C 0.33u 时，则：T 2.2 R C 2.2 10 5 0.33 10-6 0.726 10 -1 0.07 (S)Qn 输出脉冲的周期分别为:（9 脚） TQ1 0.072 0.14(S)（7 脚） TQ4 TQ12 4 0.07 16 1.12 (S)5（5 脚） TQ5 T

16、Q12 5 0.07 32 2.24 (S)（15 脚） TQ10 TQ12 9 0.07 1024 72 (S)试计算，R50K，C0.33u 时，TQ10？， R520K，C0.33u 时，TQ10？。三、光控定时器工作原理U1- 4060 的 9、10、11 脚分别接 C1（0.33u） 、R9VR1(中间值为 260k)和 R10(470k)与内部的三个非门构成振荡周期约为 0.2 秒的 RC 环形振荡器电路，4060 的 Q4-Q10 输出端分别接上发光二极管 D1-D7 作为计数显示。U2-555 时基电路与 VR2、R13（光敏电阻）和R12 接成光控施密特电路。D11-D14、

17、R15 和开关 S2 构成四入与门，D9 为隔离二极管，S1为 U1 的复位开关。电源接通时，VCC（9V）只向 555 电路的电源端（8 脚）供电，并且使复位端（4 脚）为高电平。由于 555 电路构成施密特电路，因此 3 脚的输出由 2、6 脚的电压所决定并且有：U2-2/6 VCC 时，3 脚为低电位，U2-2/6 VCC 时，3 脚为高电位。2 1如果此时照射到光敏电阻上的光线较强时，光敏电阻 R13 的阻值很小，U2-2,6 VCC，555 电路 3 脚输出为低电位，U1- 4060 不工作。32如果照射到光敏电阻上的光线较弱时，光敏电阻的阻值变大，使 U2-2,6 VCC 时，31

18、555 电路 3 脚输出为高电位（此时 D8 点亮，表示光控开始） ，U1- 4060 开始工作：内部振荡器以约 1HZ 的频率输出脉冲送到 U1 内部的计数器计数，发光二极管 D1-D7 以二进制方式显示计数结果。当计数结果使 D9 正极为高电位时（计数结果可通过开关 S2 设置） ，D9 导通到使 U1-11 脚为高电平，U1- 4060 内部振荡器停止工作， （此时 D7 点亮表示定时结束）D11-D14、R15 和开关 S2 构成的可变四入与门，决定定时时间，当 S2 全部接通时，定时周期为 64+32+16+8=120 个脉冲。调整 VR1 使 D1 以 1HZ 周期闪烁，则为 12

19、0 秒。改变R9、R10、VR1 和 C1 的参数使 D1 的闪烁周期不同，则可以得到不同的定时周期，设置 S2的开通状况还可以得到不同的定时时间，具体情况同学们自行分析。定时结束后，按下开关 S1 使 U1-12 脚（复位端）为高电平 U1 内部计数器清零 计数器所有输出均为低电平（此时 D7 熄灭）D9 正极为低电位 D9 截止 U1- 4060 内部振荡器重新振荡 输出脉冲送到 U1 内部的计数器计数（下一次定时开始）（D7 点亮,表示此次定时结束） 。使用施密特电路的优点是，光控动作可靠、稳定。如光强时 U2-2,6 VCC，555 电路323 脚输出为低电位，U1- 4060 不工作

20、。当照射光敏电阻的光线减弱时,光敏电阻阻值变大，但不是 U2-2,6 VCC 时，555 电路 3 脚就输出为高电位，而是要等到 U2-2,6 VCC 时，才32 31能使 555 电路 3 脚输出高电位。这就避免了光线的不稳定而出现误动作。D11-D14、R15 和开关 S2 如何构成四入与门，如果要求光控方式与上述方式相反， （有光线照射到光敏电阻时，4060 开始工作）应如何修改电路设计？四、制作和调试:安装前应检查元器件的质量，光敏电阻的检查方法：用万能表 R1K 档接到光敏电阻的二个引脚上，有较强光线照到它的受光面上时，其阻值应能小于 200K，遮蔽光线时，其阻值应能大于 400K。

21、6CIN11COUT9 COUT10RST12Q47Q55Q64Q76Q814Q913Q1015Q121Q132Q143VCC16GND8U1 4060D11D22D34D48D516D632D7位位R11K R21K R31K R41K R51K R61KR71KR11100K R947K R10470KC1.33VR1470KR13500K123VR2300KC20.01 R121KTR 2OUT3R4CV5TH6DIS 7VCC8GND1U2555VCCD94148 S1位位D8位位R81K 光 敏 电 阻灵 敏 度发光二极管 D1-D6 要求按顺序整齐地排列在电路板上的显眼位置，光敏电

22、阻的安装位置要方便光线的入射和遮挡。通电时，检测电阻 R12 上的电压应能达到：当光线照射到光敏电阻受光面上时，R12电压能 VCC，即 6V 以上，并且发光管 D8 不亮；当没有光线照射到光敏电阻受光面上时32（可用厚纸片遮挡） ，R12 上的电压能 VCC，即 3V 以下，并且发光管 D8 点亮。如果不31能达到此结果，可通过调整 VR2 使之达到，否则应考虑光敏电阻是否质量达不到要求，或者通过加大 VR2 的阻值来解决。然后通过调节 VR2 使检测状态符合需要，并且工作可靠、灵敏。调节 VR1 观察发光管 D1 的点亮周期，改变开关 S2 的接通个数， （开关 S2 可以用 DIP8集成

23、电路座代替，需要接通时用跳接线插上即可）思考如果要求 D1 闪烁 40 次后停止，应开关 S2 应如何连接？如果 S2 全部断开，电路的定时时间会是多少？光控定时器基本电路原理图7CIN11COUT9 COUT10RST12Q47Q55Q64Q76Q814Q913Q1015Q121Q132Q143VCC16GND8U1 4060D11D22D34D48D516D632D7LED1R11KR21KR31KR41KR51KR61K R71KR11100K R947KR10470KC1.33VR1470KR13500K123VR2300KC20.01R121KTR 2OUT3R4CV5TH6DIS

24、7VCC8GND1U25559VD94148S1SW-PBD8LED2R81KD114148 D124148D134148D144148R15100K64S2 S2 S2 S2CIN11COUT9 COUT10RST12Q47Q55Q64Q76Q814Q913Q1015Q121Q132Q143VCC16GND8U1 4060D11D22D34D48D516D632D764R11KR21K R31KR41KR51KR61KR71KR11100KR947KR10470KC1.33VR1470KR13500K123VR2300KC20.01R121KTR2OUT3R4CV5TH6DIS 7VCC8G

25、ND1U25556VD9 4148S1D8LED2R81KD114148D124148D134148D144148R151KS2-1 S2-2 S2-3 S2-4D10位位灵 敏 度光 敏 电 阻电 源 指 示复 位状 态 指 示D10点 亮 时 表 示 定 时 开 始 启 动 ,(光 线 不 足 )D10熄 灭 时 表 示 定 时 结 束 ,要 进 行 下 一 次 过 程 可 按 S1.定时时间可变的光控定时器电路原理图。8光控定时器电路板图把 D8 改接到电源作为电源指示灯，把 R15 改为 1K，并且增加 D10 作为计时开始指示灯，当达到定时时间时，D10 熄灭，如光控定时器电路原理图（二） 。光控定时器电路板图（二）9电路也可以改为：取消 D5-D7 和 R5-R7。把 D11-D14 改接到 U1 的 Q4-Q7 端，此时最大定时时间将会是 Q4 输出脉冲的多少个周期？也就是 D1 闪烁多少次 D10 才会熄灭。如果要求 D1 闪烁 7 次 D10 熄灭，开关 S2 要怎样接通？试绘出下面的电路板图（三）的电路原理图，并说明工作原理。光控定时器电路板图（三）D11-D14、R15 和开关 S2 构成四入与门