模拟救护车声响电路之欧阳德创编

设计报告
课题名称: 模拟救护车声响电路
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专业班级：电子信息工程072班
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2010年12月30日
1．2、555定时器的电路结构和逻辑功能1．2．1、电路结构和逻辑功能
图1 555定时器的内部电路结构和引脚图
图1为555时基电路的电路结构和8脚双列直插式的引脚图，由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。

它的各个引脚功能如下： 1脚：GND(或Vss)外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

8脚：VCC(或VDD)外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5～16V，CMOS 型时基电路VCC的范围为3～18V。

一般用5V。

3脚：OUT（或Vo）输出端。

2脚：TR低触发端。

6脚：TH高触发端。

4脚：R是直接清零端。

当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：CO(或VC)为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

7脚：D放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

电阻分压器由三个5kΩ的等值电阻串联而成。

电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。

比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。

高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S 端的输入信号。

基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。

在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为2/3Vcc，1/3Vcc的情况下，555时基电路的功能表如表1示。

表1 555定时器的功能表
从555定时器的功能表可以看出：
555定时器有两个阈值（Threshold）电平，分别是1/3VCC和2/3VCC；输出端为低电平时三极管TD导通，7脚输出低电平；输出端为高电平时三极管TD截止，如果7脚接一个上拉电阻， 7脚输出为高电平。

所以当7脚接一个上拉电阻时，输出状态与3脚相同。

1．2．2、555定时器的主要参数
555定时器的主要参数有电源电压、静态电流、定时精度、阈值电压、阈值电流、触发电压、触发电流、复位电压、复位电流、放电电流、驱动电流及最高工作频率。

1．2．3、等效电路
555时基电路内部既有模拟电路，又有数字电路，读图和应用十分不便，为便于一目了然地理解555的功能，可以将555电路的数字与模拟功能合在一起考虑，进行化简。

图2是图1（a）中555电路的内电路方框图简化成为带一个放电开关的特殊的RS触发器，其逻辑功能见表3所示。

图2 555定时器化简电路
二、设计思路
2．1、设计系统简绍
555时基电路555定时器产品有TTL型和CMOS型两类。

TTL型产品型号的最后三位都是555，CMOS型产品的最后四位都是7555，它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。

但双极型555和CMOS型7555因其制造工艺和流程的不同，生产出的555集成电路的性能指标也有所差异。

两者的区别见表3。

表2 双极型555和CMOS型7555主要参数
1、双极型555和CMOS型7555的共同点
二者的功能大体相同，外形和管脚排列一致，在大多数应用场合可直接替换。

均使用单电源，适应电压范围大，可与TTL、HTL、CMOS型数字逻辑电路等共用电源。

555的输出为全电源电平，可与TTL、HTL、CMOS型等电路直接接口。

电源电压变化对振荡频率和定时精度的影响小。

对定时精度的影响仅0.05%/V，且温度稳定性好，温度漂移不高于50ppm/℃（即0.005%/℃）。

2、双极型555与CMOS型7555的差异
CMOS型7555的功耗仅为双极型的几十分之一，静态电流仅为300μA左右，为微功耗电路。

CMOS型7555的电源电压可低至２~３Ｖ；各输入功能端电流均为pA（微微安）量级。

CMOS型7555的输出脉冲的上升沿和下降沿比双极型的要陡，转换时间短。

CMOS型7555在传输过渡时间里产生的尖峰电流小，仅为2~3mA；而双极型555的尖峰电流高达300~400mA，如图3所示。

CMOS型7555的输入阻抗比双极型的要高出几个数量级，高达1010Ω。

CMOS型7555的驱动能力差，输出电流仅为1~3mA，而双极型的输出驱动电流可达200mA。

图3双极型555与CMOS型555尖峰电流对比
通过上面对两种型号的555的比较，在进行电路设计和应用时，应视具体情况选择型号。

一般来说，在要求定时长、功耗小、负载轻的场合，宜选用CMOS 型的7555.而在负载重、要求驱动电流大、电压高的场合，宜选用双极型的555.此外，由于双极型的冲击峰值电流大，在电路中应加电源滤波电容，且容量要大。

双极型555的输出阻抗远比CMOS 型7555的输入阻抗低，一般要在555的电压控制功能端加一去耦电容（0.01~0.1μF ），而CMOS 型7555可不加。

CMOS 型7555的输入阻抗高达1010Ω量级，很适合做长延时电路，RC 时间常数一般很大。

负载驱动能力方面，双极型555可直接驱动低阻负载，如继电器、小直流电机、扬声器等。

CMOS 型7555只可直接驱动高阻抗负载。

若驱动低阻负载，可在输出端加接三极管驱动。

综合上述考虑，故本次模拟交通灯的电路设计采用CMOS 型7555，在实际硬件电路中采用东芝公司生产的HA17555。

2．2、软件分析
本设计中，555定时器构成多谐振荡器构成的多谐振荡器如图4所示。

它是将两个触发端2脚和6脚合并在一起，放电端7脚接于两电阻之间。

图4多谐振荡器电路图
图5 多谐振荡器的波形
输出波形的振荡周期可用过渡过程公式计算：
tw1 ：uC (0) = VCC /3 V 、
uC (∞) =VCC 、τ1=(RA+ RB)C 、当t= tw1时，uC (tw1) =2 VCC /3代入三要素方程。

于是可解出： tw2 ： uC (0) = 2VCC /3 V 、uC (∞) =0V 、τ1= RBC 、当t= tw2时，uC (tw2) =VCC /3
V CC u o
R R C C A
B
123456
785555
w1A B 0.7()t R R C
=+
代入公式。

于是可解出： w1w2A B A B 1w10.7(2)1 1.44(2)100%100%T t t R R C
f T R R C T t D T T =+=+=
=+=
⨯=⨯
其中D 为占空比。

2．3、系统设计和参数计算 1、电路系统设计：该电路由第一个555产生低频输出送给第2个555高频输出，通过计算输出频率约为700HZ ，而人的耳朵能接受的频率范围为20~20000HZ ，，故人能听到，符合设计的实际可行。

2、元器件与参数设计：（根据公式f1=1/T=1.44/(RP+R1)C1，及f2=1.44/(2R5+R4)C4，可选择电阻R1(10K)，RV1(0~100k)，R3(10K)，R4(10K)，R5(100K)，C1(10μ)，C2(10n)，C3(10n)，C4(100μ)，两片COMS 型7555（HA17555）及功率2W 内阻为8欧的扬声器组成。

本设计电路由两个CMOS 型7555组成，均工作在多谐振荡状态。

由电路仿真图示参数不难求出两振荡器的振荡频率：
f 1=1/ T=1.44/(R 1+2R V1)C 1
当RV1，即电位器RV1的阻值在0~100K 变化时，对应的频率为14.4H Z ~0.62H Z 。

f 2=1.44/(R 2+2R 5)C 3=700H Z
振荡波形的占空系数由公式D=t
充/T 来决定，故第一级振荡波形的最大占空系数为
47%。

两片7555输出波形图如下：
图6 5两片7555的波形（蓝色为第一片，黄色为第二片）
IC 2受控于IC 1的低频方波。

当IC 1的输出为低电平时，IC 2的振荡频率就低；而当IC 1的输出为高电平时，IC 2的振荡频率就高，因而从喇叭上就发出“嘀—哒，嘀—哒”的节奏音响。

改变R 4，R 5，C 2的时间常数，输出的音响频率也会发生相应的变化。

w2B 0.7t R C
=
六、系统设计电路图
参考文献
[1]陈永甫. 新编555集成电路应用800例. 电子工业出版社，2000.1
[2]张靖武，周灵彬. 单片机原理、应用与PROTUES仿真.电子工业出版社，2008.8
[3]闫石. 数字电子技术基础.高等教育出版社，2006.5
指导教师评语
系部教研室
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时间：2021.03.07 创作：欧阳德。