模拟救护车声响电路之欧阳科创编Word下载.docx

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设计时间

2010.12.26-2011.1.4

设计地点

实验楼411

设计目的

1、熟悉555定时器的引脚安排；

2、掌握555定时器的逻辑功能与使用方法；

3、了解音响电路的组成和工作原理，并熟悉其设计和制作。

一、系统设计概述

1．1、概述

555定时器（时基电路）是一种用途广泛的模拟数字混合集成电路。

1972年由西格尼蒂克斯公司（Signetics）研制；

设计新颖、构思奇巧，备受电子专业设计人员和电子爱好者青睐；

它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器和压控振荡器等多种应用电路。

555定时器是一种中规模集成电路，它使用灵活、方便，被广泛应用于脉冲的产生、整形、定时和延迟等电路中。

文中介绍了555定时器及其逻辑功能，以及由其构成的多谐振荡器的工作原理，通过举例论述了555多谐振荡器在模拟救护车声响电路中的应用，说明在实际生产中，只要将其各个功能加以综合应用，便可得到许多实用电路。

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用于仪器仪555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。

　　两个比较器C1和C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。

此外还有输出级和放电管。

输出级的驱动电流可达200mA。

　　比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端——触发输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。

当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。

若无需复位操作，复位端应接高电平。

　　555的应用：

（1）、构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等；

（2）、构成多谐振荡器，组成信号产生电路；

　　（3）、构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。

555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。

1．2、555定时器的电路结构和逻辑功能1．2．1、电路结构和逻辑功能

图1555定时器的内部电路结构和引脚图

图1为555时基电路的电路结构和8脚双列直插式的引脚图，由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。

它的各个引脚功能如下：

1脚：

GND（或Vss）外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

8脚：

VCC（或VDD）外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5～16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3～18V。

一般用5V。

3脚：

OUT（或Vo）输出端。

2脚：

TR低触发端。

6脚：

TH高触发端。

4脚：

R是直接清零端。

当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：

CO（或VC）为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

7脚：

D放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

电阻分压器由三个5kΩ的等值电阻串联而成。

电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。

比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。

高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；

低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。

基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。

在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为2/3Vcc，1/3Vcc的情况下，555时基电路的功能表如表1示。

表1555定时器的功能表

从555定时器的功能表可以看出：

555定时器有两个阈值（Threshold）电平，分别是1/3VCC和2/3VCC；

输出端为低电平时三极管TD导通，7脚输出低电平；

输出端为高电平时三极管TD截止，如果7脚接一个上拉电阻，7脚输出为高电平。

所以当7脚接一个上拉电阻时，输出状态与3脚相同。

1．2．2、555定时器的主要参数

555定时器的主要参数有电源电压、静态电流、定时精度、阈值电压、阈值电流、触发电压、触发电流、复位电压、复位电流、放电电流、驱动电流及最高工作频率。

1．2．3、等效电路

555时基电路内部既有模拟电路，又有数字电路，读图和应用十分不便，为便于一目了然地理解555的功能，可以将555电路的数字与模拟功能合在一起考虑，进行化简。

图2是图1（a）中555电路的内电路方框图简化成为带一个放电开关的特殊的RS触发器，其逻辑功能见表3所示。

图2555定时器化简电路

二、设计思路

2．1、设计系统简绍

555时基电路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。

但双极型555和CMOS型7555因其制造工艺和流程的不同，生产出的555集成电路的性能指标也有所差异。

两者的区别见表3。

表2　　双极型555和CMOS型7555主要参数

1、双极型555和CMOS型7555的共同点

二者的功能大体相同，外形和管脚排列一致，在大多数应用场合可直接替换。

均使用单电源，适应电压范围大，可与TTL、HTL、CMOS型数字逻辑电路等共用电源。

555的输出为全电源电平，可与TTL、HTL、CMOS型等电路直接接口。

电源电压变化对振荡频率和定时精度的影响小。

对定时精度的影响仅0.05%/V，且温度稳定性好，温度漂移不高于50ppm/℃（即0.005%/℃）。

2、双极型555与CMOS型7555的差异

CMOS型7555的功耗仅为双极型的几十分之一，静态电流仅为300μA左右，为微功耗电路。

CMOS型7555的电源电压可低至２~３Ｖ；

各输入功能端电流均为pA（微微安）量级。

CMOS型7555的输出脉冲的上升沿和下降沿比双极型的要陡，转换时间短。

CMOS型7555在传输过渡时间里产生的尖峰电流小，仅为2~3mA；

而双极型555的尖峰电流高达300~400mA，如图3所示。

CMOS型7555的输入阻抗比双极型的要高出几个数量级，高达1010Ω。

CMOS型7555的驱动能力差，输出电流仅为1~3mA，而双极型的输出驱动电流可达200mA。

图3双极型555与CMOS型555尖峰电流对比

通过上面对两种型号的555的比较，在进行电路设计和应用时，应视具体情况选择型号。

一般来说，在要求定时长、功耗小、负载轻的场合，宜选用CMOS型的7555.而在负载重、要求驱动电流大、电压高的场合，宜选用双极型的555.此外，由于双极型的冲击峰值电流大，在电路中应加电源滤波电容，且容量要大。

双极型555的输出阻抗远比CMOS型7555的输入阻抗低，一般要在555的电压控制功能端加一去耦电容（0.01~0.1μF），而CMOS型7555可不加。

CMOS型7555的输入阻抗高达1010Ω量级，很适合做长延时电路，RC时间常数一般很大。

负载驱动能力方面，双极型555可直接驱动低阻负载，如继电器、小直流电机、扬声器等。

CMOS型7555只可直接驱动高阻抗负载。

若驱动低阻负载，可在输出端加接三极管驱动。

综合上述考虑，故本次模拟交通灯的电路设计采用CMOS型7555，在实际硬件电路中采用东芝公司生产的HA17555。

2．2、软件分析

本设计中，555定时器构成多谐振荡器构成的多谐振荡器如图4所示。

它是将两个触发端2脚和6脚合并在一起，放电端7脚接于两电阻之间。

图4多谐振荡器电路图

图5多谐振荡器的波形

输出波形的振荡周期可用过渡过程公式计算：

tw1：

uC（0）=VCC/3V、

uC（∞）=VCC、τ1=（RA+RB）C、当t=tw1时，uC（tw1）=2VCC/3代入三要素方程。

于是可解出：

tw2：

uC（0）=2VCC/3V、uC（∞）=0V、τ1=RBC、当t=tw2时，uC（tw2）=VCC/3

代入公式。

其中D为占空比。

2．3、系统设计和参数计算

1、电路系统设计：

该电路由第一个555产生低频输出送给第2个555高频输出，通过计算输出频率约为700HZ，而人的耳朵能接受的频率范围为20~20000HZ，，故人能听到，符合设计的实际可行。

2、元器件与参数设计：

（根据公式f1=1/T=1.44/（RP+R1）C1，及f2=1.44/（2R5+R4）C4，可选择电阻R1（10K），RV1（0~100k），R3（10K），R4（10K），R5（100K），C1（10μ），C2（10n），C3（10n），C4（100μ），两片COMS型7555（HA17555）及功率2W内阻为8欧的扬声器组成。

本设计电路由两个CMOS型7555组成，均工作在多谐振荡状态。

由电路仿真图示参数不难求出两振荡器的振荡频率：

f1=1/T=1.44/（R1+2RV1）C1

当RV1，即电位器RV1的阻值在0~100K变化时，对应的频率为14.4HZ~0.62HZ。

f2=1.44/（R2+2R5）C3=700HZ

振荡波形的占空系数由公式D=t充/T来决定，故第一级振荡波形的最大占空系数为47%。

两片7555输出波形图如下：

图65两片7555的波形（蓝色为第一片，黄色为第二片）

IC2受控于IC1的低频方波。

当IC1的输出为低电平时，IC2的振荡频率就低；

而当IC1的输出为高电平时，IC2的振荡频率就高，因而从喇叭上就发出“嘀—哒，嘀—哒”的节奏音响。

改变R4，R5，C2的时间常数，输出的音响频率也会发生相应的变化。

2．4、系统设计功能

这里主要的元器件是COMS型7555，性能介绍如下：

当给电路通电瞬间，电源正极通过电阻R1和RV1给电解电容C1充电，此时C1两端电压由0V往上升，也就是555的②、⑥脚电压从0V往上升，根据②脚电压小于1／3电源电压时⑧脚输出高电平，IC2的震荡频率就高，当C1上电压上升至2/3VDDV时，555的6脚电压达到了2／3电源电压，555电路翻转，⑧脚输低电平，IC2的振荡频率就低，因此发出“滴-答，滴-答”的声音。

改变电位器RV1的阻值，可以通过改变输出频率改变声音的快慢节奏。

三、系统设计流程框图

第一片555振荡器的输出接到第二片555振荡器的电压控制端，即5脚Vc0，如电路仿真所示。

则第一片555振荡器输出高电平时，第二片555振荡器的振荡频率较低；

当第一片555振荡器输出低电平时，第二片的振荡频率高，从而使第二片振荡器的输出端产生两种频率的信号。

3脚所接的扬声器发出“嘟、嘟……”的类似救护车的双频间歇响声。

图7系统设计流程框图

四、系统设计调试和故障及解决办法

4．1、系统调试

当给电路通电后，扬声器发出“滴-答，滴-答”的声音。

但是效果不是很明显，带有一定的杂音，调试电位器RV1的阻值，直至约40kΩ，声响清晰且响亮，然后继续降低RV1阻值，可以通过改变输出频率，改变声音的快慢节奏。

4．2、故障和故障解决办法

1、扬声器不出声

解决办法：

认真检查，并重新焊接与电源和接地的引脚，并用万用表测试，直至发出声响。

2、一些元件虚焊

检查电路，并重新焊接。

五、系统设计心得收获

我们进行了为期一周的课程设计。

通过这次课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高。

安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟。

尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。

作为整个学习体系的有机组成部分，课程设计虽然安排在一周进行，但并不具有绝对独立的意义。

它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。

运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。

检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。

对我们电子通信专业的本科生来说，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。

这也是一次预演和准备毕业设计工作。

通过课程设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。

课程设计促进了我系人才培养计划的完善和课程设置的调整。

近年来，我系为适应学生的实践需要陆续增设与调整了一系列课程，受到同学的欢迎，其中这次的设计很受同学们的喜欢。

这一次的设计也进一步提高了同学们的合作意识和团结协作精神，在此对帮助我的老师和同学表达深深的谢意。

课程设计达到了专业学习的预期目的。

在两个星期的课程设计之后，我们普遍感到不仅实际动手能力有所提高，更重要的是通过对电路板制作流程的了解，进一步激发了我们对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。

六、系统设计电路图

参考文献

[1]陈永甫.新编555集成电路应用800例.电子工业出版社，2000.1

[2]张靖武，周灵彬.单片机原理、应用与PROTUES仿真.电子工业出版社，2008.8

[3]闫石.数字电子技术基础.高等教育出版社，2006.5

指导教师评语

系部教研室

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