Исследование аналогового таймера 555 серии

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра биотехнических систем

отчет

по лабораторной работе №6

по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника»

Тема: Исследование аналогового таймера 555 серии

Студент гр. 7501		Исаков А.О.
Преподаватель		Анисимов А.А.

Санкт-Петербург

2020

Цель работы: Исследование принципов работы аналоговых таймеров 555 серии при работе в базовых режимах: простого релаксационного генератора с фиксированной и регулируемой скважностью (астабильный режим работы таймера), работа в режиме генерации одиночных импульсов заданной длительности (моностабильный мультивибратор), подключение в качестве генератора пилообразного сигнала.

Используемое оборудование: работа выполняется в виде компьютерной симуляции с использованием САПР Микрокап.

Основные теоретические положения

Схема 555 представляет собой довольно приличный генератор со стабильностью около 1%. Она может работать от единственного источника питания напряжением от 4,5 до 16 В, сохраняя стабильную частоту при изменениях напряжения источника питания, поскольку пороги следят за флуктуациями питания. Схему 555 можно применять также для формирования одиночных импульсов произвольной длительности и еще для многих целей. К тому же этот небольшой кристалл содержит простые компараторы, вентили и триггеры. В электронной промышленности даже появилась игра — придумать еще новое применение схемы 555.

КМОП ИС 555. Некоторые из неприятных свойств ИС 555 (большой ток потребления от источника питания, высокий ток запуска, удвоенная частота переключения выходного сигнала и неспособность функционировать при очень низких напряжениях источника питания) были устранены в ее КМОП-аналогах. Следует отметить, в частности, их способность функционировать при очень низких напряжениях питания (до 1 В!) и, как правило, токе потребления. Эти кристаллы также более быстродействующие, чем исходная схема 555. Выходные КМОП-каскады дают максимальный удвоенный перепад напряжения выходного сигнала, по крайней мере при низких токах нагрузки (отметим, что эти кристаллы не имеют мощного выходного каскада, как в типовой схеме 555). Все кристаллы, кроме исходной схемы 555 и XR-L555, сделаны по КМОП-технологии. Последняя же схема является микромощной биполярной схемой 555 и проявляет свою родословную в виде здоровенной нагрузочной способности и хорошей температурной стабильности.

Работа аналогового таймера 555 серии часто толкуется неверно, поэтому мы дадим анализ ее работы прямо по изображенной на рисунке 1 эквивалентной схеме. Некоторые обозначения на ней относятся к области цифровой техники, поэтому вы пока еще не станете экспертом по ИС 555. Но принцип действия этого таймера достаточно прост. При подаче сигнала на вход ТРИГГЕР выходной сигнал переключается на ВЫСОКИЙ уровень (около U_кк) и остается в этом состоянии до тех пор, пока не произойдет переключение входа ПОРОГ; в этот момент выходной сигнал падает до НИЗКОГО уровня (около потенциала «земли») и тогда включается транзистор РАЗРЯД. Вход ТРИГГЕР включается при уровне входного сигнала меньше 1/3U_кк, а ПОРОГ – при уровне входного сигнала больше 2/3U_кк.

Рисунок 1 - Упрощенная эквивалентная схема ИМС 555

Астабильный режим работы таймера

Наиболее легкий способ понять работу ИС 555 — это рассмотреть конкретный пример, это так называемый астабильный режим работы таймера (рис. 2). При включении источника питания конденсатор разряжен, поэтому ИС 555 оказывается в состоянии, когда выходной сигнал имеет ВЫСОКИЙ уровень, транзистор разряда Т₁ закрыт и конденсатор начинает заряжаться до 10В через резисторы R_A+R_B. Когда его напряжение достигнет 2/3U_кк, переключается вход ПОРОГ и выходной сигнал переходит в состояние НИЗКОГО уровня, одновременно происходит отпирание транзистора Т₁, разряжающего конденсатор С на землю через резистор R_в. Схема переходит в периодический режим работы, и напряжение на конденсаторе С колеблется между значениями 1/3U_кки 2/ЗU_кк с периодом Т = 0,693 (R_A+2R_B)⸱C. В этом случае с выхода схемы обычно снимаются колебания прямоугольной формы.

Рисунок 2 - Астабильный режим работы таймера

Моностабильный режим работы таймера

Моностабильный означает, что стабильное состояние у таймера только одно, когда он выключен. Во включенное состояние его можно перевести временно, подав на вход таймера какой—либо сигнал. Время нахождения таймера в активном режиме определяется RC цепочкой (рис. 3).

Рисунок 3 - Моностабильный режим работы таймера

В начальном состоянии, на выходе таймера (вывод №3) низкий уровень – примерно 0,25 вольт, транзистор разряда открыт и конденсатор разряжен, таймер находится в стабильном состоянии. При поступлении на вход (вывод №2) импульса низкого уровня, включается компаратор №2, который переключает триггер таймера, и как результат на выходе таймера устанавливается высокий уровень. Транзистор разряда закрывается и через резистор R_А начинает заряжаться конденсатор С, во время заряда конденсатора на выходе таймера сохраняется высокий уровень. Во время этого процесса изменения сигнала на входе (вывод №2) не вызовут никакого воздействия на таймер. После того как напряжение на конденсаторе С достигнет 2/3 напряжения питания, включается компаратор №1, переключая тем самым триггер. В результате на выходе установится низкий уровень, и таймер восстановит исходное, стабильное состояние. Транзистор разряда откроется и разрядит конденсатор С.

Генератор пилообразного напряжения на таймере

При использовании для заряда времязадающего конденсатора источника тока можно создать генератор линейного (пилообразного) напряжения (рис. 4). На рисунке ниже показан способ использования для этих целей простого источника тока на PNP-транзисторе. Пилообразный сигнал доходит до напряжения 2/3U_кк, затем быстро спадает (разряд происходит через внутренний разряжающий NPN-транзистор схемы 555, контакт 7) до напряжения 1/3U_кк, далее цикл начинается снова. Отметим, что этот сигнал пилообразной формы выделяется на выводе конденсатора и необходимо обеспечить его развязку с помощью ОУ, который обладает высоким полным сопротивлением. Эту схему можно еще упростить путем замены источника тока на р-n-р-транзисторе на «диодный регулятор тока», выполненный на полевом транзисторе p-n-каналом; однако ее рабочие характеристики, а именно линейность пилообразного сигнала, будут хуже поскольку этот полевой транзистор питается током I_Скк и при этом формируется не такой хороший источник тока, как на биполярном транзисторе.

Рисунок 4 - Генератор пилообразных колебаний

Ход выполнения лабораторной работы:

1. Простой генератор прямоугольных импульсов

Примерная частота выходного сигнала 6кГц

Рисунок 5 - схема простого генератора прямоугольных импульсов

Рисунок 6 - Анализ переходных процессов 9 (Transient)

Чтобы убедиться в правильности приблизительно выбранных параметров схемы, предположим, что . Тогда если , то . Отсюда C =

2. Простой генератор прямоугольных импульсов с регулируемой скважностью

Приблизительная частота выходного сигнала – 6кГц

Рисунок 7 - Схема генератора прямоугольных импульсов на с регулируемой скважностью на таймере

Рисунок 8 - График выходного сигнала со скваженностью 90

Рисунок 9 - График выходного сигнала со скваженностью 50

Рисунок 10 – График выходного сигнала со скваженностью 10

3. Моностабильный мультивибратор

Рисунок 11 - Собранная в Micro-cap 12 схема моностабильного мультивибратора

Рисунок 12 – График выходного сигнала генератора прямоугольных импульсов (синий) и выходного сигнала моностабильного мультивибратора (красный) с частотой 6кГц

Рисунок 13 - График выходного сигнала генератора прямоугольных импульсов (синий) и выходного сигнала моностабильного мультивибратора (красный) с частотой 6кГц (на 350мкс)

На выходе моностабильного мультивибратора (рис. 11) мы получаем импульсы, при этом состояние выхода не изменяется при приходе новых управляющих импульсов, до тех пор, пока не закончится текущий цикл.

4. Генератор пилообразного напряжения

Рисунок 14 - Схема генератора пилообразного напряжения

Рисунок 15 - Анализ переходных процессов в точке out

Для получения хорошего генератора пилоообразных импульсов на таймере 555 (рис. 14) необходимо заряжать конденсатор не через резистор, а с помощью источника тока (использовано токовое зеркало).

Транзисторы использованы стандартные (2N3904 и 2N3906), используем ОУ OP_07. Запустив анализ переходных процессов, на выходе повторителя получаем красивый пилообразный сигнал (рис. 17), частота подобрана в соответствии с вариантом: .

Рисунок 16 - Генератор пилообразного напряжение с токовым зеркалом

Рисунок 17 - Анализ переходных процессов в точке out

Выводы

В данном отчёте представлены результаты исследования принципов работы аналоговых таймеров 555 серии при работе в базовых режимах: простого релаксационного генератора с фиксированной и регулируемой скважностью при трёх различных значениях потенциометра: 10%, 50% и 90%, работа в режиме генерации одиночных импульсов заданной длительности и подключение в качестве генератора пилообразного сигнала.