Методические_указания_к_КП_МЭП_v1_2

генераторов и реле времени с возможностью задержки от микросекунд до нескольких часов. В более сложных устройствах он выполняет функции по устранению дребезга контактов, реализации широтно-импульсной модуляции

(ШИМ), восстановлению цифровых сигналов и многие другие. Микросхема очень удобная и универсальная.

Одной из особенностей таймера NE555 является наличие внутреннего делителя напряжения, который определяет фиксированные верхние и нижние пороги срабатывания для двух внутренних компараторов (смотри схему). Это надо иногда учитывать.

NE555 и её аналоги в большинстве случаев поставляются в корпусе с восемью выводами, таких как DIP8, TSSOP или SOIC. Расположение выводов является стандартным и не зависит от конкретного типа корпуса.

Описание выводов NE555

1.Общий (GND): Этот вывод соединяется с минусовым контактом

(т.е. землёй) источника питания устройства.

2.Запуск (TRIG): Подача низкого уровня сигнала на этот вход инициирует работу таймера и вызывает появление сигнала высокого уровня на выходе. Длительность этого сигнала зависит от значений внешних компонентов R и C.

3.Выход (OUT): В данном режиме, высокий уровень выходного сигнала равен

Uпит - 1,5 В, а низкий составляет около 0,25 В. Переключение между этими уровнями занимает около 0,1 мкс.

4. Сброс (RESET): Этот вход обладает наивысшим приоритетом и способен управлять работой таймера независимо от состояния остальных выводов. Для разрешения запуска таймера, на этом входе должно присутствовать напряжение более 0,7 В. Чтобы обеспечить это условие, его

21

обычно соединяют с питанием схемы через резистор. Появление импульса с

напряжением менее 0,7 вольта запрещает работу NE555.

5.Контроль (CTRL): Этот вход напрямую связан с внутренним делителем напряжения и, в отсутствие внешнего воздействия, выдаёт 2/3 от напряжения питания (Uпит). Подача управляющего сигнала на этот вход позволяет получить на выходе таймера модулированный сигнал. В простых схемах этот вход может быть подключен к внешнему конденсатору.

6.Останов (THR): Этот вход является входом первого компаратора.

Появление напряжения, превышающего 2/3 от Uпит, останавливает таймер и переводит его выход в низкий уровень. Для правильной работы этого входа,

сигнал на входе TRIG должен быть отсутствовать, так как TRIG имеет приоритет перед THR (исключение - КР1006ВИ1).

7.Разряд (DIS): Этот вывод напрямую связан с внутренним транзистором, который работает по схеме с общим коллектором. Обычно, к

коллектору транзистора подключается временной конденсатор, который разряжается, пока транзистор находится в открытом состоянии. Иногда может быть использован для увеличения загрузочной способности микросхемы.

8.Питание (VCC): Этот вывод соединяется с плюсовым контактом источника питания, который может находиться в диапазоне от 4,5 до 16 вольт.

Внутреннее устройство NE555

На рисунке 8 изображена упрощённая схема внутреннего устройства таймера, на которой видно его функциональные блоки. На рисунке 9 в целях ознакомления приведена полная электрическая схема этого интегрального таймера. Дальнейшее описание устройства и принципа работы дано для функциональной схемы.

22

Рисунок 8. Функциональная схема

Рисунок 9. Полная схема

NE555 включает в себя два компаратора - верхний и нижний. На входах этих компараторов установлены опорные напряжения, соответствующие 2/3 и 1/3 питающего напряжения. Для создания этих опорных напряжений используется резистивный делитель, состоящий из резисторов сопротивлением 5 кОм.

Работа компараторов управляет RS-триггером. С выхода RS-триггера сигнал поступает на буферный усилитель, после чего на транзисторный ключ.

23

Каждый компаратор имеет один свободный вход, который может использоваться для подачи внешних управляющих сигналов.

Верхний компаратор срабатывает при появлении высокого уровня на своем входе и переводит выход микросхемы в низкий уровень. С другой стороны, нижний компаратор реагирует на снижение напряжения ниже 1/3 от

VCC и устанавливает на выходе таймера логическую единицу.

Таймеры серии 555 могут работать в одном из трех основных режимов:

как моностабильный мультивибратор (одновибратор), как астабильный мультивибратор (генератор импульсов) и как бистабильный мультивибратор

(т.е. RS-триггер). Данный курсовой проект предусматривает выполнение генератора тактовых импульсов, так что имеет смысл рассмотреть работу микросхемы в астабильном режиме.

Рисунок 10. Генератор импульсов на NE555

Мультивибратор на базе микросхемы NE555 представляет собой генератор периодических прямоугольных импульсов. В данной схеме

(рисунок 10) резисторы R1 и R2, а также конденсатор C1 используются для

24

определения времени импульса (t1), времени паузы (t2), периода (T) и частоты

(f) генерируемых импульсов. Смотри рисунок 11.

Рисунок 11. Прямоугольный сигнал Эти параметры рассчитываются с использованием следующих формул:

1.Период (T), то есть время между двумя последовательными импульсами.

Период является величиной, обратной частоте, и находится так:

2. Время импульса (t1), то есть время, в течение которого выходной сигнал находится в состоянии высокого уровня:

4. Время паузы (t2), то есть время, в течение которого выходной сигнал находится в состоянии низкого уровня:

5. Частота (f), выраженная в герцах (Гц):

25

Дополнительно, можно вычислить скважность (S), которая представляет собой отношение периода к времени импульса:

Но чаще всего в даташитах и описаниях применяется понятие коэффициента заполнения (Duty cycle), который выражается обычно в

Соответственно, по заданию, следует выбрать ёмкость конденсатора С1 и, пользуясь формулами, найти номиналы резисторов для своего варианта.

Алгоритм работы мультивибратора на интегральном

таймере

1.При подаче питания конденсатор C1 разряжен, и это переводит выход таймера в состояние высокого уровня.

2.Затем конденсатор C1 начинает заряжаться через резисторы R1 и

R2. Во время этой фазы конденсатор набирает заряд и его напряжение постепенно увеличивается.

3. Когда напряжение на конденсаторе достигает верхнего порогового значения, равного 2/3 от питающего напряжения, микросхема NE555

переключается, и на её выходе появляется низкий уровень сигнала.

26

4.Затем начинается фаза разряда конденсатора (t1), в течение которой конденсатор разряжается через резистор R2. По мере разряда напряжение на конденсаторе уменьшается.

5.Когда напряжение на конденсаторе достигает нижнего порогового значения, равного 1/3 от VCC, происходит обратное переключение, и на выходе таймера устанавливается высокий уровень сигнала.

6.Процесс повторяется, и схема переходит в автоколебательный режим, генерируя периодические прямоугольные импульсы.

Этот процесс управляется значениями резисторов R1, R2 и ёмкости конденсатора C1, что позволяет настраивать частоту, длительность импульсов и период мультивибратора в соответствии с требованиями конкретного задания.

Таким образом, схема мультивибратора NE555 может генерировать периодические импульсы с настраиваемой длительностью, паузой и скважностью, что делает ее полезным инструментом для любых электронных задач.

ПРИМЕЧАНИЕ:

В случае, если требуется получить сигнал с коэффициентом заполнения меньше 50% - нужно рассчитать генератор, для которого коэффициент заполнения будет равен: 100% - x и поставить ему на выход инвертор. Например, нужно получить генератор сигнала, имеющего коэффициент заполнения равный 30%. Тогда следует посчитать схему генератора так что бы получился коэффициент заполнения равный 70%, после чего подключить инвертор и коэффициент заполнения станет 100% - 70% = 30%.

Необходимость в этом возникает по тому, что, как видно из формул (10)

и (11), время паузы t2 зависит от R2, а время импульса t1 зависит от СУММЫ

R2 и R1. Следовательно, t1 не может быть меньше t2, так как значение R1 не

27

может быть отрицательным. В пределе (при R2 = 0) t1 будет равно t2, но никогда не станет меньше. Поэтому следует инвертировать сигнал

посредством инвертора.

Генератор на триггере Шмидта

В том случае, если не требуется какая-то нестандартная скважность и достаточно сигнала со скважностью 2 (коэффициент заполнения = 50%) – в

таком случае можно обойтись без NE555 и использовать одну из самых простых схем генератора импульсов – генератор на триггере Шмидта. Это очень простая схема, состоящая всего лишь из трёх деталей: самого триггера,

резистора и конденсатора.

Рисунок 12. Генератор на триггере Шмидта

Как известно, триггер Шмидта является триггером с аналоговым управлением и реализует релейную характеристику (гистерезис) – при плавном изменении сигнала на входе сигнал на выходе меняется скачкообразно, и притом – с небольшой задержкой (не временной, а по

28

амплитуде входного сигнала). Можно представить принцип работы такого триггера как фотореле, используемое для управления уличным освещением. Фотореле определяет освещённость на улице и при снижении её уровня до заданного порога – включает светильники.

Интерес представляет то, что фотореле отключит светильники при достаточно значительном увеличении освещённости относительно момента включения – иначе бы в сумерках свет бы мигал при малейшем затемнении фотореле, когда освещённость находится в приграничном состоянии. Триггер Шмидта работает так же.

Принцип работы генератора прост – изначально на выходе триггера высокий уровень сигнала (т.к. конденсатор разряжен, то на входе низкий уровень, а триггер имеет инверсию), ток начинает течь через резистор R к конденсатору C, заряжая последний. Как только напряжение на входе достигнет предела переключения триггера – тот переключится, и ситуация изменится на противоположную – конденсатор начнёт разряжаться через резистор на выход триггера и напряжение станет падать. Схема переходит в циклический режим.

Плюсом такого решения является полная надёжность – эта схема точно будет работать практически при любых значениях элементов.

Например, можно, взяв нужные детали, собрать на микросхеме 74HC14

генератор на частоту в 27 МГц, и он будет работать.

При реальном применении желательно добавить второй триггер к выходу первого в роли буфера – тогда нагрузка никак не сможет влиять на работу схемы. Эта схема является рекордсменом по простоте и удобству и рекомендуется к применению в том случае если необходим прямоугольный сигнал со скважностью 2.

29

Частоту выходного сигнала можно приблизительно найти по формуле:

Важно помнить, что формула даёт лишь приближённый результат, что,

складываясь с большими погрешностями номиналов деталей, приводит к достаточно большому отклонению реальной частоты работы схемы от расчётной. При разработке устройств это компенсируется либо низкими требованиями к поддержанию рабочей частоты, либо, чаще, установкой резистора R1 подстроечного типа. Тогда его сопротивление можно менять,

тем самым точно выставив любую нужную частоту.

Поэтому помните, что генератор, выполненный по этой схеме, имеет худшую стабильность частоты в сравнении с более сложными (и дорогими)

решениями, и хорошей идеей будет предусмотреть подстройку его параметров.

30