Семестр4 / Мікросхемотехніка / Лр / Лабораторна_робота_№_6_ИНТЕГРАЛЬНЫЙ_ТАЙМЕР_16_06

Лабораторна робота № 6 - ІНТЕГРАЛЬНИЙ ТАЙМЕР

Мета роботи: дослідити роботу інтегрального таймера в режимі мультивібратора.

Зміст домашньої підготовки

1. Вивчити будову і принцип дії інтегрального таймера 555.

2. Вивчити особливості роботи інтегрального таймера 555 у режимі мультивібратора.

3. Вивчити роботу мультивібратора при подачі на вхід керуючої напруги. Розрахувати залежність частоти від керуючої напруги, напруга живлення 12 В.

Зміст звіту

Звіт по роботі має містити титульний аркуш, назву і мету роботи, короткі теоретичні відомості щодо будови і принципу дії інтегрального таймера 555, результати розрахунку компонентів і параметрів сигналу. Експериментальна частина лабораторної роботи має містити опис процесу вимірювань, скріншоти з результатами моделювання та поясненнями, таблиці з даними, висновки по роботі.

Нестабільний режим мультивібратора 555 таймер IC

Під час розрядки напруга на конденсаторі починає падати, і компаратор Threshold відразу ж починає видавати 0, що насправді нічого не змінює, тому що тепер обидва входи R і S тригера дорівнюють 0. Але як тільки напруга на конденсаторі падає до 1/3. напруги тригерний компаратор видасть 1. Це відключить розрядний транзистор, і конденсатор знову почне заряджатися. Таким чином, ці процеси зарядки і розрядки між 2/3 і 1/3 напруги, що подається, будуть продовжуватися самі по собі, створюючи прямокутну хвилю на виході таймера 555.

Мультивібратор зі шпаруватістю 2.

Як відомо, на основі тригера Шмітта дуже просто побудувати мультивібратор – для цього необхідно обидва його абсолютно стійкі стани перетворити на квазістійкі. Схема мультивібратора, працюючого за цим принципом, наведено на рис.1. Якщо таймер перебуває в стані «1», конденсатор З заряджається через резистор R і потенціал верхньої його обкладки (і, відповідно, вхідний сигнал тригера Шмітта) наростає, прагнучи до значення U₀. Як тільки він досягає рівня ⅔U₀, таймер перекидається в стан «0», і конденсатор починає розряджатися через той же резистор R. Потенціал його верхньої обкладки прагнути до нульового рівня, і коли він досягає значення ⅓U₀, таймер перекидається в стан «1», після чого всі процеси повторюються.

Неважко показати, що напівперіод вихідного сигналу пристрою визначається за формулою T = RCIn2. Симетричність вихідного сигналу визначається точністю виставлення рівнів ⅓U0 і ⅔U0, що забезпечується прецизійністю значень резисторів у внутрішній структурі таймера.

Нестабільний (нестійкий) мультивібратор також називають вільним мультивібратором. Він не має стабільних станів і постійно перемикається між двома станами без застосування будь-якого зовнішнього тригера.

Рис.1. Мультивібратор на інтегральному таймері 555(а)

та діаграми його роботи (б)

IC 555 може працювати як нестабільний мультивібратор з додаванням трьох зовнішніх компонентів: двох резисторів (R₁ і R₂) і конденсатора (C). Схема IC 555 як нестабільного мультивібратора разом із трьома зовнішніми компонентами показана в рис 2.

Контакти 2 і 6 з'єднані, і, отже, немає необхідності в зовнішньому імпульсі тригера. Він самоспрацьовує і діятиме як мультивібратор (генератор), що вільно працює. Решта підключення наступні: контакт 8 підключений до напруги живлення (V_CC). Контакт 3 є вихідною клемою, і, отже, вихід доступний на цьому виводі. Контакт 4 - це зовнішній контакт скидання. Миттєвий низький рівень на цьому контакті скине таймер. Отже, коли контакт 4 не використовується, зазвичай прив’язаний до V_CC.

Рис. 2. Мультивибратор на таймере 555

Керуюча напруга, прикладена до контакту 5, змінить пороговий рівень напруги. Але для нормального використання контакт 5 підключається до землі через конденсатор (зазвичай 0,01 мкФ), тому зовнішні шуми від клеми фільтруються. Контакт 1 - це клема заземлення. Схема синхронізації, яка визначає ширину вихідного імпульсу, складається з R1, R₂ і C.

Операція

На наступній схемі зображено внутрішню схему IC 555, що працює в нестабільному режимі. Схема синхронізації RC включає R1, R2 і C.

Спочатку, під час увімкнення живлення, тригер скидається (і, отже, вихід таймера низький). В результаті розрядний транзистор доводиться до насичення (так як він підключений до Q’). Конденсатор C схеми синхронізації підключений до контакту 7 мікросхеми 555 і буде розряджатися через транзистор. Вихід таймера в цей момент низький. Напруга на конденсаторі є не що інше, як напруга тригера. Таким чином, під час розрядки, якщо напруга конденсатора стане менше 1/3 V_CC, що є опорною напругою для запуску компаратора (компаратора 2), вихідний рівень компаратора 2 стане високим. Це встановить тригер, і, отже, вихід таймера на контакті 3 перейде на HIGH.

Цей високий вихід вимкне транзистор (OFF). В результаті через резистори R1 і R2 починає заряджатися конденсатор С. Тепер напруга конденсатора така ж, як і порогова напруга (оскільки контакт 6 підключений до переходу резистора конденсатора). Під час зарядки напруга конденсатора збільшується експоненціально до V_CC, і в момент, коли воно перетинає 2/3 V_CC, що є опорною напругою для порогового компаратора (компаратор 1), його вихід стає високим.

Рис 3. Внутрішня схема таймера 555 з нестабільним режимом

В результаті тригер перезавантажується (RESET). Вихід таймера стає низьким (LOW). Цей низький вихід знову ввімкне транзистор, який забезпечує шлях розряду до конденсатора. Отже, конденсатор С розрядиться через резистор R2. І отже цикл продовжується.

Таким чином, коли конденсатор заряджається, напруга на конденсаторі зростає експоненціально, а вихідна напруга на контакте 3 є високою. Аналогічно, коли конденсатор розряджається, напруга на конденсаторі падає експоненціально, а вихідна напруга на виводі 3 низька. Форма вихідного сигналу являє собою цуг прямокутних імпульсів. Форми сигналу напруги на конденсаторі та вихід в нестабільному режимі показані нижче

Таким чином, коли конденсатор заряджається, напруга на конденсаторі зростає експонентно, а вихідна напруга на контакті 3 висока. Так само, коли конденсатор розряджається, напруга на конденсаторі падає експоненційно, і вихідна напруга на контакті 3 низька. Форма вихідного сигналу є послідовністю прямокутних імпульсів. Осцилограми напруги конденсатора та виходу в нестабільному режимі показані нижче.

Таким чином, коли конденсатор заряджається, напруга на конденсаторі зростає експонентно, а вихідна напруга на контакті 3 висока. Так само, коли конденсатор розряджається, напруга на конденсаторі падає експоненційно, і вихідна напруга на контакті 3 низька. Форма вихідного сигналу є послідовністю прямокутних імпульсів. Осцилограми напруги конденсатора та виходу в нестабільному режимі показані на рис 4.

Під час заряджання конденсатор заряджається через резистори R1 та R2. Отже, постійна часу (тимчасова константа) зарядки дорівнює (R1 + R2) C, так як загальний опір у ланцюзі зарядки становить R1 + R2. При розрядженні конденсатор розряджається тільки через резистор R2. Отже, тимчасова константа розряду дорівнює R2C.

Рис 4. Форми сигналів напруги конденсатора та вихідної напруги

Робочий цикл

Постійні часу зарядки і розрядки залежать від значень резисторів R1 і R2. Як правило, постійна часу зарядки більше, ніж постійна часу розрядки. Тому вихід HIGH залишається довшим, ніж вихід LOW, і, отже, вихідна форма сигналу не є симетричною. Робочий цикл – це математичний параметр, який формує зв’язок між високою і низькою продуктивністю. Робочий цикл визначається як відношення часу виходу HIGH, тобто часу увімкнення до загального часу циклу.

Якщо T_ON - це час для високої продуктивності, а T - період часу одного циклу, то робочий цикл D визначається як:

D = T_ON/ T

Отже, відсоток робочого циклу задається як:

%D = (T_ON / T) * 100

T – це сума T_ON (час зарядки) і T_OFF (час розрядки).

Значення T_ON або часу заряду (для високої потужності) T_C визначається як:

T_ON = T_C = 0.693 * (R1 + R2) C

Значення T_OFF або часу розряду (для низької потужності) T_D визначається як

T_OFF = T_D = 0.693 * R2C

Отже, період часу для одного циклу T визначається як

T = T_ON + T_OFF = T_C + _TD

T = 0.693 * (R1 + R2) C + 0.693 * R2C

T = 0.693 * (R1 + 2R2) C

Отже, %D = (T_ON/ T) * 100

%D = (0.693 * (R1 + R2) C)/(0.693 * (R1 + 2R2) C) * 100

%D = ((R1 + R2)/(R1 + 2R2)) * 100

If T = 0.693 * (R1 + 2R2) C, тоді частота f визначається як

f = 1 / T = 1 / 0.693 * (R1 + 2R2) C

f = 1.44/( (R1 + 2R2) C) Hz

Вибір R1, R2 і C1

Вибір значень R1, R2 і C1 для різного діапазону частот виглядає наступним чином:

R1 і R2 повинні знаходитися в діапазоні від 1KΩ до 1MΩ. Найкраще спочатку вибрати C1 (оскільки конденсатори доступні лише в кількох значеннях і зазвичай не регулюються, на відміну від резисторів) відповідно до діапазону частот з наступної таблиці.

Виберіть R2, щоб задати потрібну частоту (f).

R2 = 0,7 /(f × C1)‏

Виберіть R1, щоб він становив приблизно одну десяту від R2 (1KΩ хв.)

Моделювання на Multisim

Виберіть таймер 555 для моделювання з:

Place – Components – Master database – TIMER (or MIXED VIRTUAL)

Виберіть інші блоки елементів для моделювання та з'єднайте їх як на рисунку 4.

Змініть параметри елементів на

R1= R2 = 7,5kΏ, C1 = 0,1 мкФ, C2 = 0,01 мкФ

А результати сигналів, отриманих на осцилографі, представлені на рис.3.

Рис. 5.

Рис. 6.

Контрольні питання

1. Пояснити будову інтегрального таймера 555.

2. Пояснити принцип дії інтегрального таймера 555 у режимі одновібратора.

3. Пояснити принцип дії інтегрального таймера 555 у режимі мультивібратора.

4. Пояснити вплив керуючої напруги на роботу інтегрального таймера 555 у режимі мультивібратора.

5. У чому переваги інтегрального таймера 555?

Висновок про роботу: