基于NE555的多波形发生器的设计.docx
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基于NE555的多波形发生器的设计
引言
锯齿波发生器是一种常用的信号发生电路，广泛地应用于各种电路中，如示波器，开关电源等。
它已有相当成熟的电路：
根据对锯齿波形不同的要求，用不同的方法求设计不同的锯齿波发生器。
既有数字的，也有模拟的。
模拟的锯齿波发生器的线路很多，当线性度要求很高时，一般都很复杂。
本文介绍的锯齿波发生器是基于价廉物美的555定时器时基电路，用性能稳定的恒流源对电容的充放电而得到的高精度锯齿波发生器。
第一章设计任务及要求
1.设计任务及要求
1.1设计任务
利用555定时器和结型场效应管构成的恒流源设计一高线性度的锯齿波发生器。
1.2设计要求
用555定时器和结型场效应管构成的恒流源设计出一个高线性度的锯齿波发生器。
第二章设计思路及各原理
1.555定时器
555定时器是一种数字电路与模拟电路相结合的中规模集成电路。
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态触发器和多谐振荡器等，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
1.1555定时器的工作原理
555定时器产品有TTL型和CMOS型两类。
TTL型产品型号的最后三位都是555，CMOS型产品的最后四位都是7555，它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。
555定时器的电路如图2-1所示。
它由三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电晶体管T、与非门和反相器组成。
图2-1-1
分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。
如5端悬空，则比较器C1的参考电压为，加在同相端；C2的参考电压为，加在反相端。
是复位输入端。
当=0时，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。
正常工作时，=1。
u11和u12分别为6端和2端的输入电压。
当u11>，u12>时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，即=0，=1，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。
当u11<，u12<时，C1输出为高电平，C2输出为低电平，=1，=0，基本RS触发
器被置1，晶体管T截止，输出端u0为高电平。
当u11<，u12>时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。
综上所述，可得555定时器功能如表2-2所示。
图2-1-2
1.2555定时器应用
1．单稳态电路
双稳态触发器具有两个稳态的输出状态和，且两个状态始终相反。
而单稳态触发器只有一个稳态状态。
在未加触发信号之前，触发器处于稳定状态，经触发后，触发器由稳定状态翻转为暂稳状态，暂稳状态保持一段时间后，又会自动翻转回原来的稳定状态。
单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。
单稳态触发器电路的构成形式很多。
图2-2-1左图所示为用555定时器构成的单稳态触发器，R、C为外接元件，触发脉冲u1由2端输入。
5端不用时一般通过0.01uF电容接地，以防干扰。
下面对照图2-2-1右图进行分析。
图2-2-1
（1）稳态
接通电源后，经R给电容C充电，当uc上升到大于时，基本RS触发器复位，输出u0=0。
同时，晶体管T导通，使电容C放电。
此后uc<，若不加触发信号，即u1>，则u0保持0状态。
电路将一直处于这一稳定状态。
（2）暂稳态
在t=t1瞬间，2端输入一个负脉冲，即u1<，基本RS触发器置1，输出为高电平，并使晶体管T截止，电路进入暂稳态。
此后，电源又经R向C充电，充电时间常数=RC，电容的电压按指数规律上升。
在t=t2时刻，触发负脉冲消失（u1>），若uc<，则=1，=1，基本RS触发器保持原状态，u0仍为高电平。
在t=t3时刻，当uc上升略高于时，=0，=1，基本RS触发器复位，输出u0=0，回到初始稳态。
同时，晶体管T导通，电容C通过T迅速放电直至uc为0。
这时=1，=1，电路为下次翻转做好了准备。
输出脉冲宽度tp为暂稳态的持续时间，即电容C的电压从0充至所需的时间。
由=（1-）得
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在R、C的值一定时，输出脉冲的幅度和宽度是一定的，利用这一特性可对边沿不陡、幅度不齐的波形进行整形。
2．多谐振荡器
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器。
图9-30所示是由555定时器构成的多谐振荡器。
R1、R2和C是外接元件。
刚接通电源时，uc=0，u0=1。
当uc升至后，比较器C1输出低电平（=0），基本RS触发器置0，定时器输出u0由1变为0。
同时，三极管T导通，电容通过R2放电，uc
下降。
在在uc下降至以后，比较器C2输出低电平（=0），使触发器置1，输出u0由0变为1。
同时三极管T截止，于是电容C再次被充电。
如此不断重复上述过程，多谐振荡器的输出端就可得到一串矩形波。
工作波形如图2-2-2右图所示。
电路图如图2-2-2左图所示。
图2-2-2
振荡周期等于两个暂稳态的持续时间。
第一个暂稳态时间tp1为电容C的电压uc从充电至所需时间
第二个暂稳态时间tp2为电容C的电压从放电至所需时间。
2.产生锯齿波的原理
2.1基本原理
模拟的锯齿波发生器产生锯齿波的方法都是从一阶电路中对电容的充放电而得到的。
2.2非线性分析
一阶电路中,对电容的充放电过程就是锯齿波形成的
过程。
从锯齿波形可知,电压的下降时间非常短,几乎可以忽略,所以放电时间也可以忽略不计。
在此我们只研究充电过程。
3.恒流源
恒流源就是就是指相对于一定的电压变化,输出的电流变化为零。
它有很多种方法构成,根据不同的要求设计恒流源的方法也不同。
通常模拟的流源由三种方法构成晶体管、场效应管、运算放大器。
场效管恒流源
由场效应晶体管作为主要组成器件的恒流电路如图所4示由场效应管的原理可知,控制,栅极基本不取电流,只要保证UGS<0且UGS其电路简单易位,当场效应管工作在恒流区时,电路具有恒流特性,作为小容电流的恒流源电路,实用性很强。
它的缺点是电流变化达±5%。
4.电路设计
4.1电路图
在图5中，场效应管和可变电阻，电容构成一恒流源，使充电的线性度好，调节可变电阻的阻值就可以改变结型场效应管栅-源电压，也就改变了其漏极电流（即充电电流），从而可以很方便的调节锯齿波的周期。
图中，二极管VT1和VT2，555的输出端接到VT1的基极，VT2与电容C2并接至CON端。
这样，当OUT端输出为高电平时，VT1导通，VT2截止，CON端的控制电压仍为555片内的基准电压2/3Vcc，而当555输出为低电平时，VT1截止，VT2导通。
CON端的电位就设定为0V,电容C1也会放电为0V.而当OUT端的电位又转为高电平时，电容又开始从0V充电。
这样就可以得到从0电平开始充电的锯齿波。
图5
4.2元件清单
元件名称
型号参数
数目
电阻
47kΩ
2
电阻
20kΩ
3
滑动变阻器
1MΩ
1
电容
0.01μF
1
电容
0.33μF
1
集成定时器
555定时器
1
运算放大器
LM324
1
场效应管
3DJ6F
1
三极管
9013
2
恒流源
12V
1
恒流源
负12V
1
5.电路仿真
5.1仿真电路图
5.2仿真锯齿波图形
致谢
555定时器是一种数字电路与模拟电路相结合的中规模集成电路。
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态触发器和多谐振荡器等，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
本文介绍了锯齿波发生器产生的基本原理，并通过实验证明，利用场效应管构成的恒流源可以产生线性度良好地锯齿波。
参考文献
[1]刘常澍雷淑英，数字逻辑电路（第二版），北京，高等教育出版社，2010
[2]童诗白，模拟电子技术基础，3版，北京，高等教育出版社，2000
[3]邱关源，电路，北京,高等教育出版社
[4]彭介华，电子技术课程设计[M]，北京，高等教育出版社,1997
[5]郝鸿安，常用模拟集成电路应用手册，北京，人民邮电出版社，1991
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