【摘要】針對不同專業(yè)的學生設計開發(fā)適合專業(yè)要求的實驗項目，做好共性與個性相結合的文章，可以幫助學生理解和鞏固各自所學的理論知識，并圍繞專業(yè)特點把所學知識加以整合拓展，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、分析設計和工程實踐能力。這對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、提高學生的動手能力有重要意義。

【關鍵詞】555；實驗設計；創(chuàng)新意識；動手能力

電工、模擬數(shù)字電子技術實驗室擔負著物理、應用物理、電子、機電、熱能等專業(yè)的實驗教學任務。不同專業(yè)的學生使用的電子技術類理論教材不完全相同，課程內容的側重點也因此不完全相同。所以，我們的電子電工實驗課在完成共性科目教學的基礎上，還要針對不同專業(yè)、不同層次的學生設計符合他們特點的實驗項目。使學生在有限的時間內結合專業(yè)特點提高對電路的分析、設計和實際應用能力隨著各專業(yè)教學計劃的調整，相應專業(yè)的實驗教學學時隨之發(fā)生變化，從而使不同專業(yè)的電子電工電子實驗課既有相同之處，又有各自不同的特點。電子電工實驗課教學迫切需要在有限的時間內，對現(xiàn)有實驗項目進行有效地改進和設計開發(fā)，進一步提高教學質量，達到以下教學目的：1、讓學生真正掌握相關電路及儀器的基本實驗技能和知識，為后續(xù)課程的學習打好堅實的基礎；2、提高學生對電路的分析、設計和實際應用能力；3、針對不同專業(yè)、不同層次的學生設計適合他們的實驗項目，在現(xiàn)有實驗項目的基礎上，針對不同的教材，設計開發(fā)新項目；4、進一步增加綜合設計性實驗項目的比例，并在原有驗證性實驗項目內增加局部設計性實驗內容，以培養(yǎng)和提高學生對知識的應用能力、電路的設計能力。現(xiàn)在以555時基電路及應用為例說明對于不同專業(yè)學生我們的做法。

一、實驗目的

1.理解555時基電路結構、工作原理及其特點。

2.掌握555時基電路的基本應用。

二、實驗原理

集成時基電路又稱為集成定時器或555電路，是一種數(shù)字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路，應用十分廣泛。它是一種產生時間延遲和多種脈沖信號的電路，由于內部電壓標準使用了三個5K電阻，故取名555電路。其電路類型有雙極型和CMOS型兩大類，二者的結構與工作原理類似。幾乎所有的雙極型產品型號最后的三位數(shù)碼都是555或556；所有的CMOS產品型號最后四位數(shù)碼都是7555或7556，二者的邏輯功能和引腳排列完全相同，易于互換。55和7555是單定時器。556和7556是雙定時器。雙極型的電源電壓適用范圍為VCC=+5V～+15V，輸出的最大電流可達200mA，CMOS型的電源電壓為+3～+18V。

（1）555電路的工作原理

555電路的內部電路方框圖如圖1所示。它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關管T，比較器的參考電壓由三只5K Q的電阻器構成的分壓器提供。它們分別使高電平比較器A1的同相輸入端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為Vcc和上Vcc。A1與A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管T的開關狀態(tài)。當輸入信號自6腳即高電平觸發(fā)輸入并超過參考電平2/3Vcc時，觸發(fā)器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電開關管T導通：當輸入信號自2腳輸入并低于1/3Vcc時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電開關管截止。4腳是復位端，當=0，555的3腳輸出低電平。平時端開路或接VCC，5腳Vc是控制電壓端，平時輸出2/3Vcc作為比較器A1的參考電平，當5腳外接一個輸人電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.0lμf的電容器接地，起濾波作用，以消除外來的干擾，確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當T導通時，將給接于腳7的電容器提供低阻值的放電通路。

555定時器主要是與電阻、電容構成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓，以確定輸出電平的高低和放電開關管的通斷。這就很方便地構成從微秒到數(shù)十分鐘的延時電路，可方便地構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，多諧振蕩器，施密特觸發(fā)器等脈沖產生或波形變換電路。

（2）555定時器的典型應用

1）構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

圖2（a）為由555定時器和外接定時元件R、C構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。觸發(fā)電路由C1、R1、D構成，其中D為鉗位二極管，穩(wěn)態(tài)時555電路輸人端處于電源電平，內部放電開關管T導通， 7腳輸出低電平，定時電容C被短路；當有一個外部負脈沖觸發(fā)信號經(jīng)C1加到2腳，并使2端電位瞬時低于1/3VCC，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個暫態(tài)過程，3腳輸出高電平，同時開關管T截止，使定時電容C開始充電，VC按指數(shù)規(guī)律增長。當Vc充電到2/3VCC時，高電平比較器動作，比較器A1翻轉，3腳輸出VO從高電平返回低電平，放電開關管T重新導通，電容C上的電荷很快經(jīng)放電開關管放電，暫態(tài)結束，恢復穩(wěn)態(tài)，為下個觸發(fā)脈沖的來到作好準備。波形圖如圖2（b）所示。

暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間tW（即為延時時間）決定于外接元件R、C值的大小。

tW=1.1RC

通過改變R、C的大小，可使延時時間在幾個微秒到幾十分鐘之間變化。當這種單穩(wěn)態(tài)電路作為計時器時，可直接驅動小型繼電器，并可以使用復位端4腳接地的方法來中止暫態(tài)，重新計時。此外尚須用一個續(xù)流2極管與繼電器線圈并連，以防繼電器線圈反電勢損壞內部功率管。

2）構成多諧振蕩器

如圖3（a）所示， 由555定時器和外接元件R1、R2、C構成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R2、R2向C充電，以及C通過R2向7腳放電端Ct放電，其波形如圖3（b）所示。輸出信號的時間參數(shù)是T=tW1+tW2，tW1=0.7（R1+R2）C，tW2=0.7R2C，555電路要求R1和R2均應大于或等于1K，但R1十R2應小于或等于3.3MΩ。

外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時器配以少量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強的功率輸出能力。因此這種形式的多諧振蕩器應用很廣。

3）組成占空比可調的多諧振蕩器

電路如圖4，它比圖3所示電路增加了一個電位器和兩個導引二極管。D1、D2用來決定電容充、放電電流流經(jīng)電阻的途徑（充電時D1 導通，D2截止：放電時D2導通，D1截止）。

占空比：P=tW1 /（tW1十tW2）≈0.7RAC/0.7C （RA+RB）= RA/（RA+RB）

可見，若取RA=RB.；電路即可輸出占空比為50%的方波信號。

4）組成占空比連續(xù)可調并能調節(jié)振蕩頻率的多諧振蕩器

電路如圖5所示。對C1充電時，充電電流通過R1、D1、RW2和RW1；放電時通過RW1、RW2、D2、R2，當R1=R2，RW2調至中心點，因充放電時間基本相等，其占空比約為50%，此時調節(jié)RW1僅改變頻率，占空比不變。如 RW2調至偏離中心點，再調節(jié)RW1，不僅振蕩頻率改變，而且對占空比也有影響。RW1不變，僅調節(jié)RW2，則只改變占空比，對頻率無影響。因此，當接通電源后，應首先調節(jié)RW1使頻率至規(guī)定值，再調節(jié)RW2，以獲得需要的占空比。若頻率調節(jié)的范圍比較大，還可以用波段開關改變C1的值。

5）組成施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器具有將正弦波或三角波轉換為同頻率的方波的功能，且要求輸入的信號必須大于某個值才能有輸出，因此在自動控制領域有著廣泛的應用。

電路如圖6，只要將腳2、6連在一起作為信號輸人端，即得到施密特觸發(fā)器。圖7給出了Vs、Vi、和VO的波形圖。

設被整形交換的電壓Vs為正弦波，其正半波通過二極管D同時加到555定時器的2腳和6腳，得到Vi為半波整流波形。當Vi上升到2/3VCC時，VO從高電平翻轉為低電平；當Vi下降到1/3VCC時，VO又從低電平翻轉為高電平。電路的電壓傳輸特性曲線如圖8所示。

回差電壓：ΔV=2/3VCC-1/3Vcc=1/3Vcc

三、實驗設備與器件

（1）+5V直流電源；

（2）雙蹤示波器；

（3）連續(xù)脈沖源；

（4）單次脈沖源；

（5）音頻信號源；

（6）數(shù)字頻率計；

（7）555集成電路1個；

（8）1N4148二極管2個；

（9）電阻：5.1K2個、10K、100K、200K各1個；

（10）電容0.01兩個、220和10微法各1個。

四、實驗內容

1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

（1）按圖2連線，取R=100K，C=220μf，輸入信號Vi由單次脈沖源（或2腳對地瞬間短路一下）提供，測定3腳輸出電壓VO幅度與暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間tW（也稱維持高電平時間或延時時間或定時時間）。

（2）改變R=200K，重復上述內容。

2.多諧振蕩器

（1）按圖3接線，用雙蹤示波器觀測Vi與VO的波形，用頻率計或示波器其測定頻率

（2）選作內容：按圖5接線，調節(jié)RW2的中心滑動端在中間位不變，調節(jié)RW1來觀測3腳輸出VO的波形和頻率的變化，測定頻率f的值；令RW1不變，只改變RW2的阻值，用示波器觀察3腳輸出VO的波形占空比和頻率的變化。

3.施密特觸發(fā)器

按圖6接線，輸人信號Vs由音頻信號源提供，預先調好Vs的頻率為600HZ--1KHZ之間的正弦波，接通電源，逐漸加大Vs的幅度，觀測3腳輸出電壓VO的波形從無到有的過程，測出輸入電壓Vs與輸出電壓VO的相互關系特性記入下表中。算出回差電壓ΔU。

五、實驗總結

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和實驗現(xiàn)象，做出全面的分析、總結。

這是我們的555時基電路的設計講義。對于電子、電科和應物專業(yè)的學生而言，我們要求所有的實驗內容全做；對于物理、機電專業(yè)的學生來說，因為他們所使用的教材這一部分內容講得比較少并且實驗學時數(shù)較少，所以主要選作前兩項，如果學生特別有興趣，可以利用開放實驗室的時間選做其他實驗內容。

針對不同專業(yè)的學生設計開發(fā)適合專業(yè)要求的實驗項目，做好共性與個性相結合的文章，可以幫助學生理解和鞏固各自所學的理論知識，并圍繞專業(yè)特點把所學知識加以整合拓展，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、分析設計和工程實踐能力。這對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、提高學生的動手能力有重要意義。

參考文獻

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].高等教育出版社，2006，4.

[2]楊茂宇.電工電子技術基礎實驗[M].華東理工大學出版社，2005，8.

作者簡介：王靜（1973—），女，山東陵縣人，大學本科，高級實驗師，現(xiàn)供職于德州學院。