Transcript 项目四电子门铃电路设计预测

数字电子技术
项目四 电子门铃的设计与测试
1、项目说明
用555定时器构成的单稳态触发器和多
谐振荡器设计一个简易电子门铃电路，要
求每按一次开关，扬声器发出一次1kHz的
声响，持续时间约为5s。
2、工作任务
完成原理图设计、元器件选择、电路
逻辑功能仿真测试。
3、设计步骤
⑴555定时器构成的单稳态触发器设计；
⑵555定时器构成的多谐振荡器设计；
⑶电子门铃电路设计与测试；
4、项目实现
任务引领
任务1 数字电路逻辑分析方法
任务2 555定时器逻辑功能测试
任务3 由555定时器构成的施密特触发器、单稳
态触发器、多谐振荡器逻辑功能测试
任务4 用施密特触发器组成多谢振荡器逻辑功能
测试
任务5 石英晶体多谐振荡器逻辑功能测试
任务6 电子门铃设计与测试
任务1 数字电路逻辑分析方法
该任务涉及内容已在项目二中详细讲解，这里
不再赘述。
任务2
555定时器逻辑功能测试
6.2
集成555定时器
一、555定时器的电路组成
(8)
UDD
(4)
R
1
R
(6)
TH
£«
CO
£-
C1
¡Ý 1
1
R
D
2
7
3
6
OUT
B
£«
TR
8
TR
(5)
(2)
UDD
SS
Q
£-
C2
¡Ý 1
¡Ý 1
Q
1
1
OUT
(3)
TH
R
CO
4
5
R
D
(b)
V
(7)
(1)
USS
(a)
555定时器的电路由电阻分压器、电压比较器、基本触发器、
MOS管构成的放电开关和输出驱动电路等几部分组成。
1.
电阻分压器由3个阻值相同的电阻串联构成。它为两
个比较器C1和C2提供基准电平。
2.比较器
比较器C1和C2是两个结构完全相同的高精度电压比
较器。
Q
3.基本RS触发器
基本RS触发器由两个或非门组成，它的状态由两个比较
器的输出控制。
4.放电开关管和输出缓冲级
放电开关管是N沟道增强型MOS管，其栅极受基本RS触发
器 Q 端状态的控制。
二、555定时器的功能
功能表
三、555定时器的主要参数
任务3
由555定时器构成的施密特触发器、单
稳态触发器、多谐振荡器逻辑功能测试
6.3
施密特触发器
一、用7555定时器构成的施密特触发器
1、电路组成及工作原理
ui
UD D
TH
6
8
ui
4
3
TR
2
1
2U
3 DD
1U
3 DD
5
uo
OUT
C
o
t
uo
UD D
o
555定时器构成施密特触发器
t
输入输出波形图
 当ui处于0＜ui＜ VDD上升区间：根据555定时器功能表
可知，OUT=“1”。
 当ui处于 VDD＜ui＜ VDD上升区间：根据555定时器功
能表可知，OUT仍保持原状态“1”不变。
 当ui一旦处于ui≥ VDD区间：根据555定时器功能表可
知，OUT将由“1”状态变为 “0”状态，此刻对应的Ui值称为
 当ui处于 VDD＜ui＜ VDD下降区间：根据555定时器
功能表可知，OUT 保持原来状态 “0”不变。
 当ui一旦处于Ui≤ VDD区间：根据555定时器功能表可
知，OUT 又将 “0”状态变为 “1”状态，此时对应的ui值称
为置位电平或下限阈值电压。
2、电压滞回特性
uo
UD D
o
1U
3 DD
2U
3 DD
施密特触发器电压传输特性
ui
从输入输出波形分析中，可以发现置位电平和复位电平二者
是不等的，二者之间的电压差称为回差电压用Δ UT表示，即
Δ UT =UT+-UT-= UR1 - UR2
（6-1）
若控制端S悬空或通过电容接地, UR1=
1
3
VDD，则：
Δ UT = UR1 - UR2 = VDD
VDD，
2
3
若控制端S外接控制电压US ， UR1 = US而UR2=
Δ UT = UR1 - UR2 = US
而UR2=
（6-2）
US ，则：
1（6-3）
2
二、集成施密特触发器
1、CMOS集成施密特触发器
14
1A 1
13
1Y 2
12
2A
3
11
2Y
4
10
3A
5
9
3Y
6
VSS
7
8
14
VDD
6A
1A 1
13
6Y
1Y 2
12
5A
2A
3
11
5Y
2Y
4
10
4A
3A
5
9
4Y
3Y
6
8
GND
(a)CC40106
集成施密特触发器CC40106外引线功能图
7
(b)74LS14
VC
6A
6Y
5A
5Y
4A
4Y
集成施密特触发器CC40106的主要静态参数
2、TTL集成施密特触发器
14
1
13
2
12
3
11
4
10
5
9
6
8
7
14
VDD
6A
1A 1
13
6Y
1Y 2
12
5A
2A
3
11
5Y
2Y
4
10
4A
3A
5
9
4Y
3Y
6
8
GND
(a)CC40106
VC C
6A
6Y
5A
5Y
4A
4Y
7
(b)74LS14
集成施密特触发器74LS14外引线功能图
TTL施密特触发器具有以下特点：
1）输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作。
2）对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿。
3）带负载能力和抗干扰能力都很强。
三、施密特触发器的典型应用
1、波形变换：将任何符合特定条件的输入信号变为
对应的矩形波输出信号。
ui
UT£«
UT£o
t
uo
o
利用施密特触发器进行波形变换
t
2、用作整形电路：把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。
3、用于脉冲鉴幅：将幅值大于UT+的脉冲选出
ui
UT H
o
t
o
t
uo
利用施密特触发器进行幅度鉴别
6.4
单稳态触发器
单稳态触发器也有两个状态：一个是稳定状态，另一
个是暂稳状态。
当无触发脉冲输入时，单稳态触发器处于稳定状态
当有触发脉冲时，单稳态触发器将从稳定状态变为
暂稳定状态，暂稳状态在保持一定时间后，能够自动
返回到稳定状态。
一、555构成单稳态触发器
ui
1、电路组成及工作原理
UD D
£«UD D
R
R
D
TH
TR
ui
8
7
6
2
1
C
uC
4
555 3
1U
3 DD
tP
o
t
2U
3 DD
uo
5
C0
0.01F
(a)
o
uo
UD D
t
tW
o
t
(b)
555构成单稳态触发器（a）电路
输入输出波形
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，ui保持高电平，电路工作在稳定状态，即
输出端uO保持低电平，7555内放电三极管D导通，管脚7“接地”，电
容电压uC接近0V。
2）ui下降沿触发
当ui下降沿到达时，7555触发输入端（2脚）由高电平跳变为低电平，
电路被触发，uO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，7555内放电管D截止，UDD经R向C充电。其充电回路为
UDD→R→C→地，时间常数τ1=RC，电容电压uC由0V开始增大，在电容电压
uC上升到阈值电压
2
U 之前，电路将保持暂稳态不变。
3 DD
4）自动返回（暂稳态结束）时间
当uC上升至阈值电压
2
3
UDD时，输出电压uO由高电平跳变为低电平，7555
内放电管D由截止转为导通，管脚7“接地”，电容C经放电管对地迅速放电，电
压uC由
2
UDD迅速降至接近0V，电路由暂稳态重新转入稳态。
3
5）恢复过程
当暂稳态结束后，电容C通过导通的场效应管 D放电，时间常数τ2=RDSC，式
中RDS是D的导通电阻，其阻值很小，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。
恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可以接收新的触发
信号。
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。
tW ≈1.1RC
（6-4）
上
式说明，单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定时元件R、C的取值，与
输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节tW。
2）恢复时间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。
3）最高工作频率fmax
若输入触发信号ui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：
T > tW＋tre
（6-5）
即ui周期的最小值Tmin应为tW＋tre，即
Tmin= tW＋tre
（6-6）
因此，单稳态触发器的最高工作频率应为
f max 
1
Tmin

1
tW  t re
（6-7）
二、集成单稳态触发器
1、TTL集成单稳态触发器74121的逻辑功能和使用方法
A1
O
10
11
9
t
A2
14
C ex t R ex t R in t VC C
O
C ex t
3
A1
74121
vo
6
4
O
A2
5
t
B
vo
1
vo
B
TW
GND
7
(a)
t
TW
O
TW
t
(b)
集成单稳态触发器74121的逻辑符号和波形图
集成单稳态触发器74121的功能表
输出
输入
B
1
vo
vo
0
1
1
0
1
¡Á
0
0
1
1
¡Á
0
1
A1
A2
0
¡Á
¡Á
0
¡Á
1
1
工作特征
保持稳态
1
1
1
下降沿触发
1
0
¡Á
¡Á
0
上升沿触发
集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法
VC C
C ex t
10
11
9
14
10
C ex t R ex t R in t VC C
74121
vo
A1
6
74121
vo
6
4
A2
vo
B
GND
1
14
3
4
5
9
C ex t
3
A1
11
C ex t R ex t R in t VC C
C ex t
vI
VC C
C ex t
R ex t
A2
1
vI
5
vo
GND
7
7
(a)
(b)
(a)使用外接电阻Rext (下降沿触发)
1
B
(b)使用内部电阻Rint (上升沿触发)
1、主要参数
1)输出脉冲宽度tW
tW  RC  ln 2
 0.7 RC
（6-8）
使用外接电阻： tW ≈0.7RextC
使用内部电阻： tW ≈0.7RintC
2)输入触发脉冲最小周期Tmin
Tmin= tW＋tre
tre是恢复时间。
3)周期性输入触发脉冲占空比q
定义：q = tW/T
式中T是输入触发脉冲的重复周期，tW是单稳态触发器的输出脉冲宽度。
最大占空比： qmax= tW/ Tmin
tW

tW  t re
三、单稳态触发器的应用
1、定时
单稳态触发器可以构成定时电路；与继电器或驱动放大电路配合，
可实现自动控制、定时开关的功能
R2
10 k
RW
1 M
R1
1 M
£«UDD
£«6 V
6
2
SB
8
7
C
4
uo
555
1
3
D
5
0.01 F
定时电路
£«
KA
220 V
HL
£
2、延时
与定时电路相比，其电路的主要区别是电阻和电容连接的位置不同。
£«UD D
SA
C
50F
8
4
6
3
2
R
2 M
1
5
D
0.01F
延时电路
KA
3、分频
当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳状态，在此脉冲以后时间tW内，如果再
输入其他触发脉冲，则对触发器的状态不再起作用；只有当触发器处于稳定状态
时，输入的触发脉冲才起作用，分频电路正是利用这个特性将高频率信号变换为
低频率信号
D
R2
1 0 k
R1
1 0 k
7
8
6
C
2
2 00 0 p F
u i ( f)
£«
UD D
C1
0 .0 1 F
分频电路
4
3
1
u o ( f/n)
5
C2
0 .0 1 F
4、整形
单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI，整形成为幅度和宽度都相同
的标准矩形脉冲vO。vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度
tW决定于暂稳态时间。
vI
vO
tW
单稳态触发器用于波形的整形
6.5
多谐振荡器
多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有
两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形
脉冲信号，因此它又称作无稳态电路，常用来做
脉冲信号源。
一、 555定时器构成的多谐振荡器
1、电路组成及工作原理
UD D
R1
R2
2U
3 DD
1U
3 DD
R
D
TH
TR
7
6
2
8
4
555 3
UD D
OUT
o
t
uo
1
5
C
0.01F
(a)
多谐振荡器电路
UD D
t1
t2
o
t
(b)
输入输出波形
工作过程：
假定零时刻电容初始电压为零，零时刻接通电源后，因
1
电容两端电压不能突变， 则有UTH=UＴＲ =UC=0＜ 3 VDD，
OUT = “1”，放电端D与地断路，直流电源通过电阻R1、
R2向电容充电，电容电压开始上升
2
2
当电容两端电压UC ≥ UDD时，UTH= UTR =UC≥ UDD，
3
3
那么输出就由一种暂稳状态（OUT = “1”而放电端D与地断
路）自动返回另一种暂稳状态（OUT = “0”而放电端D接），
由于充电电流从放电端D入地，电容不再充电，反而通过
电阻R2和放电端D向地放电，电容电压开始下降
1
1
当电容两端电压UC≤ VDD时，UTH= UTR =UC≤ VDD，
3
3
那么输出就由OUT = “0”变为OUT = “1”， 同时放电端D
由接地变为与地断路；电源通过R1、R2重新向C充电，重
复上述过程。
1、振荡周期与频率
1）振荡周期T=T1+T2。
1
2
T1代表充电时间（电容两端电压从
V 上升到 UDD所需时间），
3 DD
3
T1≈0.7(R1+R2)C
。
2
1
T2代表放电时间（电容两端电压从 3 UDD下降到
VDD所需时间）
3
T2≈0.7R2C
。
因而有：
T=T1+T2≈0.7(R1+2R2)C
2）振荡频率f
1
1.43
f  
T ( R1  2 R 2 )C
3）输出波形占空比q
定义：q=T1/T，即脉冲宽度与脉冲周期之比，称为占空比。
T1
q
T
0.7( R1  R 2 )C

0.7( R1  2 R 2 )C

R1  R 2
R1  2 R 2
二、占空比可调的多谐振荡器电路
由于二极管的引导作用，电容C
£«UD D
的充电时间常数τ1=RAC，放电时
RA
间常数τ2=RBC。通过与上面相同
RW
的分析计算过程可得：
充电时间
T1=0.7RAC
放电时间
T2=0.7RBC
RB
6
D1
占空比：
0.7 R A C
q  T1 

T
0.7 R A C  0.7 RB C
D2
2
C1
R
R
A
7
8
4
555 3
1
uo
5
C2
A
 RB
只要改变电位器滑动端的位置，就可以方便地调节占空比q，当RA=RB时，
q=0.5，u O就成为对称的矩形波。
任务4
用施密特触发器组成多谐振荡器逻辑
功能测试
用施密特触发器组成多谐振荡器
利用施密特触发器也可以构成多谐振荡器。
如前图所示，假设接通电源瞬间，电容C上的电
压为0，则施密特触发器输出uO为高电平。随后，
uO通过电阻R对电容C充电，使uc不断升高，当uc
达到UT+时，电路翻转，输出为0。此后电容C又
开始放电， uc下降，当uc下降到UT-时，电路又发
生翻转，输出为1。这样周而复始，形成振荡。
任务5
石英晶体多谐振荡器逻辑功能测试
石英晶体多谐振荡器
1、石英晶体的选频特性
有两个谐振频率。
 当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0；
 当f=fp时，为并联谐振，石英晶体的电抗无穷大。
由晶体本身的特性决定： fs≈ fp≈ f0（晶体的标称频率）
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。
2、石英晶体多谐振荡器
1）串联式振荡器
C2
R1
1
R2
C1
1
vO
石英晶体工作在串联谐振频率f0下，只有频率为f0的信号才能通过，满足振
荡条件。因此，电路的振荡频率= f0，与外接元件R、C无关，所以这种电
路振荡频率的稳定度很高。
R1，R2的作用：使两个反相器在静态时都工作在转折区，成为具有很强放
大能力的放大电路。
对于TTL门，常取R1=R2=0.7～2kΩ
若是CMOS门则常取R1=R2=10～100MΩ；C1=C2是耦合电容。
1）并联式振荡器
RF 10¦ ¬¦ ¸
G1
G2
1
C2
20pF
1
vO
C1
5~50pF
晶体工作在fS与 fP之间，等效一电感，与C1、C2共同构成电容三点式
振荡电路。电路的振荡频率= f0。
RF是偏置电阻，保证在静态时使G1工作转折区，构成一个反相
放大器。
反相器G2起整形缓冲作用，同时G2还可以隔离负载对振荡电
路工作的影响。
任务6
电子门铃设计与测试