电子设计论文2

四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告

第1章 绪论

随着现代工业的迅速发展，关于定时器的研究也就越来越受人注。本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师给予充分的支持。本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。设计的电容定时器应该能够准确定时。

根据题目的要求，确定如下方案：基于NE555电容定时器。本设计是在555定时器的基础上加上电容、电阻，利用滑动变阻控制电容充放电的时间来定时。

555定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路，在工业控制、定时、仿声、电子乐器用防盗报警等方面应用较广。它主要由三个5kΩ电阻组成的分压器、两个高精度电压比较器、一个基本RS触发器、一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成。基本RS触发器由两个与非门组成，是专门设置的可从外部进行置0的复位端。555内部具有两个电压比较器。比较器有两个输入端，分别标有＋号和－号，如果用U+和U-表示相应输入端上所加的电压，则当U+＞U-时其输出高电平，U+＜U-是输出为电平，两个输入端基本上不向外电路索取电流，即输入电阻趋近于无穷大。三个阻值均为5kΩ的电阻串联起来构成分压器（555也因此而得名），为两个比较器和提供参考电压VCC/3、2VCC/3。

电容是表征电容器容纳电荷的本领的物理量，非导电体的下述性质:当非导电体的两个相对表面保持某一电位差时（如在电容器中），由于电荷移动的结果，能量便贮存在该非导电体之中 。

本设计简洁方便并能够准确定时，其中可能也存在一些不足，恳请老师和同学给予批评和指正

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第2章

总体设计方案

第2.1节方案展示

方案1.施密特电容定时器

施密特电容定时器巧妙地设置了通过改变两个并联电阻阻值以及电容充放电来定时，其当J1A或J2B断开时，其定时不同。此电路可定三时，只要改变开关即

能定时。结构简单、调试方便、价格低廉，虽然可以达到一定的精度，但有时仍不能满足某些特殊要求。

R1100kΩ R210kΩ J1AKey = A J2BKey = A U1A40106BD_10VC11uF U2A4009BCL_5VR31kΩ X12.5 V

2-1图

方案2：基于NE555的非稳态电容定时器

基于NE555的电容定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，利用NE555、通过滑动变阻器RV1和电容C1控制时间常数τ，进而达到定时的目的。

R148U1QDC3710kRVCCRV15CV2GNDTRTH6100k555D1LED-REDC2100n1C122u 2-2图

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方案3：电容三极管定时器

按下开关，VT1截止，VT2导通，发光二极管亮，松i开开关，当电容充电到0.7V，VT1导通，VT2截止，发光二极管灭。（大约33s后熄灭，调整R1、C可改变定时时间）。

2-3图

方案4：电容定时器

（1）首先以异或门和非门构成同或门，以反相斯密特触发器和非门构成同相斯密特触发器。

（2）开始时，电容为常态，同相斯密特触发器输入输出为低电平，反馈同或门低电平，同或门输出高电平，开关闭合后对电容进行充电，当电容电压提高到斯密特触发器的Vt+时，触发器输出跳变为高电平，反馈给同或门输出低电平对电容记性放电，电容电压降低到Vt-时，触发器输出跳的变为低电平，反馈给同或门，同或门再次输出高电平对电容进行充电。由以上充放电过程经过斯密特同相触发器形成一方波信号，此信号高电平时间为电容放电时间，低电平时间为电容充电时间。（注：Vt+，Vt-具体算法见数字电子技术基本教程228页。）

（3）将方波信号输入由JK触发器构成的T触发器作为时钟信号，当电平由高到底跳变时，输出Q的电平也同样进行跳变（Q初始值为0），每跳变一次所需时间为输入方波信号的一个周期。

（4）电容充放电时间由图中可变电阻进行调节。

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U4:A13274LS386U31NOTJCLKKSU2:A2U5314Q5R13k40106NOT2Q6U1:A74LS113D1LED-GREENRV1RES-VARC10.5U

2-4图

第2.2节方案论证与选择

通过小组几天收集相关的资料，最终确定了上面的四种方案。分别是：施密特电容定时器；NE555非稳态电容定时器；电容三极管定时器；电容定时器。

由于本次的设计在于通过电容的充放电来实现定时的目的。但基于设计理念“精，低，小，少”的要求，即设计要：低功耗、小体积、精确度、高性能、低价格和外围电路少”等几个方面。通过多方的论证，以及在实验老师的建议下我们确定采用第二种方案，运用NE555芯片构成的定时器。此种方案的优点在于：

1.能够产生相对稳定的信号，定时的精度相对较高。 2.要求的外围电路少，电路的体积小。

3.需要的元器件少，价格低，只需要：NE555芯片（1个），电解电容（1个），瓷片电容（1个），普通电阻（1个），电位器（1个），按钮开关（1个），发光二极管（1支）。

4.实验原理简单,主要由电容与NE555芯片构成的非稳态电路构成的定时器。 由于有如上的多种优点，与其他几种方案比较相对的优越。通过小组内的讨论，最终决定采用— —NE555非稳态电容定时器。作为设计方案。

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第3章 电容定时器

第3.1节 电容定时器的意义

上一章四种方案均有优缺点，由于条件的允许，经过老师的尽心指导及我们小组的耐心讨论，我们决定采用方案二：基于NE555的非稳态电容定时器。

本电路利用NE555、通过滑动变阻器RV1和电容C1控制时间常数τ，进而达到定时的目的。结构简单、调试方便、价格低廉并且定时准确是其一大特点，可以用于参与其他电路的使用。

第3.2节 电容定时器电路设计

3.2.1电容定时器的方案

此定时器是利用电容的充放电由555芯片构成的一种非稳态电路（利用产生的'方波'）来达到定时，延时的作用。通过控制电路中电阻RV1和极性电容C1的大小，来控制Tm,Ts所持续的时间（即高低电平的时间）如图3-1。

1. 原理图：

3-1图

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3.2.2电容定时器的工作原理：

此定时器是利用电容的充放电由555芯片构成的一种非稳态电路（利用产生的'方波'）来达到定时，延时的作用。通过控制电路中电阻R2和极性电容C1的大小，来控制Tm,Ts所持续的时间（即高低电平的时间）如图3-3所示。

T=时间期限秒（s） =频率赫兹（Hz） R1 R2=欧姆电阻（）C1 =法拉电容（F） 在一段时间内可以分为两个部：

T = Tm +Ts

许多电路需要的Tm和Ts是几乎相等，这是在R2远大于R1的实现，如下图3-4所示。

3-2波形图

555非稳态电路

3-3电路图

（1）非稳态操作 工作原理：

通电源后，经过R1和R2给极性电容C1充电；随着极性（+ Vc1）电容C1上的电压值随时间的上升，端口2，6触发阀对电容电压输入进行监测。当Vc1

上升到>2Vcc/3时（比触发阀值电压高时），555芯片 3-4图 中基本Rs触发器复位，输出Vo=0,同时，芯片内的晶体管TD导通，使电容C1通过R2到地并放电的 放电针连接到0V，输出变为低电平。

当Vc1的电压下降到1Vcc/3时（比触发阀值电压低时）555芯片中的基本Rs触发器置1，输出Vo为高电平，并使芯片内的晶体管TD截止，电路进入暂稳态。此后，电压源继续给电容C1充电，这个循环不断重复，除非复位输入连接到0V迫使低，复

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位输出为0V外。输出将在高低电平间变化，对于充电时间常数=RC,电容的电压将按照指数的规律上升。

（2）电容定时器参数计算公式：

输出脉冲宽度TW为暂稳态的持续时间，即电容C的电压从0充至2Vcc/3所需的时间。 根据计算RC电路过渡过程的公式得：

T=Ts+Tm=(R1+2R2)Cln2

Tm=(R1+R2)Cln(Vcc-VT-)/(Vcc-VT+)=(R1+R2)Cln2

Ts=R2Cln(0-VT+)/(0-VT-)=R2Cln2

由上式可知：

①.改变R、C的值，可改变输出脉冲宽度，从而可以用于定时控制。

②.对于电路中的C而言，我们通常采用极性定值电容，通过改变电阻R的方法来改变时间常数。这样能避免应改变电容而产生的波动，不准确！而达不到定时的准确目的。

（3）电阻R1，R2和电容C1的选择

R1和R2应该在范围1K 至1M 。最好先选择C1的电容值。 C1的选择适合您需要的频率范围（使用如下3-3图表为指南）

555非稳态频率（参数对照表）

C1 R2=10k R1 = 1k 0.001μF 0.01μF 0.1μF 1μF 68kHz 6.8kHz 680Hz 68Hz R2=100k R1 = 10k 6.8kHz 680Hz 68Hz 6.8Hz 0.68Hz R2 = 1000k R1 = 100k 680Hz 68Hz 6.8Hz 0.68Hz 0.068Hz 10μF 6.8Hz 3-5图

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（4）占空比

非稳态电路的占空比为高电平持续的时间比上一个完整的周期。通常是给出一个百分比，对于一个标准的电容555非稳态电路的Tm必须大于Ts，所以占空比必须至少50％：

占空比q=Tm/(Tm+Ts)=(R1+R2)/(R1+2R2)

占空比的大小将影响到定时器，中发光二极管的闪烁频率上。

第3.3节 电容定时器主要元器件介绍

3.3.1 NE555芯片的工作原理:

555集成时基电路称为集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。它的内部电压标准使用了三个5K的电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，两者的工作原理和结构相似。555和7555是单定时器，556和7556是双定时器。双极型的电压是+5V~+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压是+3V~+18V。

555芯片的内部电路结构如下图3-6所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为

和

。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过

时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；

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当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放

电，开关管截止。RD是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。Vc是控制电压端（5脚），平时输出

作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一

个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。下图3-7为NE555芯片的内部框图

3-6图

3.3.2 电解电容的工作原理：

单位体积内电容量最大的电容器是由铝或钽制成的电解电容。它们的基本结构是浸在电解液中的两个极板（图3-7.a）。单个或两个电极用一层极薄的铝或钽的氧化物包裹，形成具有很高介电常数和良好电性能的薄膜。电解液使薄膜和电极间接触。电容器整体被放在抗漏性能好的金属壳内。在阴极与阳极之间加直流电压后形成一层介电膜，从而使电极永远极化。如果两块极板都极化形成介电膜，就可得到无极性电容，其容量为相同的极性电容器容量的一半。

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固体阳极钽电容是由带氧化钽膜的烧结阳极小球组成小球被涂了一层二氧化锰固体电解质，二氧化锰膜就成了阴极。这种结构比其他电解电容器结构具有更好的电学性能。图3-7.b所示为固态钽电容的表面贴装形式。注意极性总是标注在电容体上。

a. b.

图3-7为电解电容

表征电容器容纳电荷的本领的物理量。我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。 电容的符号是C。

在国际单位制里，电容的单位是法拉，简称法，符号是F,常用的电容单位有毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF)(皮法又称微微法)等，换算关系是：

1法拉(F)= 1000毫法(mF)＝1000000微法(μF) 1微法(μF)= 1000纳法(nF)= 1000000皮法(pF)。

相关公式：

一个电容器，如果带1库的电量时两级间的电势差是1伏，这个电容器的电容就是1法，即：C=Q/U 但电容的大小不是由Q或U决定的，即：C=εS/4πkd 。其中，ε是一个常数，S为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离， k则是静电力常量。常见

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的平行板电容器,电容为C=εS/d.（ε为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离。）

电容器的电势能计算公式：E=CU^2/2=QU/2 多电容器并联计算公式：C=C1+C2+C3+…+Cn 多电容器串联计算公式：1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn

第3.4节 电容定时器PCB与3D图

3.4.1电容定时器的PCB图

（1）.PCB全局图：

3-9图

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（2）.PCB局部图：

:

3-10图（电源部分）

3-11图（芯片部分）

3.4.2电容定时器的3D图

3-12.a正上面 3-12.b背面

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3-12.c左上侧

3-12.d右上侧

3-12.e正前 3-12.f

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反面

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第4章实际电路板的制作

通过前面的一系列的准备，方案的确定，原理的明确，仿真的验证，PCB图的绘制等一连串的工作后最终开始了实验板的制作环节，这也是最后，最关键的环节。关系到整个设计的过程，可以说是牵一发而动全身。为此确定了如下的制作流程：

原理图 ↓

PCB图与PCB板的制作 ↓

元器件的选择与焊接 ↓

装置的调试与改进 ↓

实验板完成 4-1图

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第4.1节 元器件的选择和焊接

作过程中由于种种的客观原因，无法用学校的制板机来制作，实验用的电路板，为了能够准时的完成这次课程设计的任务，在实验室老师的帮助下，确定用普通板，通过焊接相关的线路来完成实物的制作。

4.1.1根据设计的原理和相关参数计算选用下表相关元器件进行装置制作。

实验元器件选择表：

参数名 型号 大小 参数值 使用数目 元器件实物图 元件名 NE555 NE555p 1个 电解电容 Heng 22uf 16v,22uf, -404-2图

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4.1.2元器件焊接

根据原理图进行电路的焊接，完成后如下图所示：

a.正面1 b.背面

c.侧面 d.正面2

4-3图

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第4.2节装置的调试与设计改进

4.2.1装置的调试

焊接完成后，调试非常重要，但在我们的

4.2.2设计改进

在以上的设计方案中。在电源给电容充电时，电流经过电位器RV1（如下的R2）给电容充电，由于电阻的阻值在0到100k之间变化。为此消耗在电阻上的能量相对较高，对电源要求也高。为了达到设计理念中的低消耗的原则，为此如下图所示，在电位器两端加一个二极管，来限制充电时带来的能量消耗。 占空比二极管

为了实现占空比高于50％一个二极管可被添加在R2的并联，如图所示。这标志着电容C1的充电过程中绕过了电阻R2，这是充电周期的一部分，使的Tm C1的充电过程只取决于R1的大小。放电的大小取决与R2的大小,因此：

占空比二极管q=Tm/(Tm+Ts)=(R1)/(R1+R2) 使用信号二极管 ，如1N4148。

555无稳态电路二极管与R2的跨越

4-4图

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第5章总结

第5.1节设计总结

本产品能是利用电容的充放电由555芯片构成的一种非稳态电路（利用产生的'方波'）来达到定时，延时的作用。通过控制电路中电阻RV1和极性电容C1的大小，来控制Tm,Ts所持续的时间（即高低电平的时间）。个人感觉其功能还算比较完善。

通过本次实习，将书本上学到的知识应用于实践，学会了一些电子电路仿真设计能力,虽然过程中遇到了一些困难，但是在解决这些问题的过程无疑也是对自己自身专业素质的一种提高与肯定。此次设计不仅增强了自己在专业设计的信心，鼓舞了自己，更是一次兴趣的培养。

电子实习，是以学生自己动手动脑，并亲手设计、制作、组装与调试为特色的。它将基本技能训练，基本工艺知识和创新启蒙有机结合，培养我们的实践能力和创新精神，。作为信息时代的大学生，仅会书本理论是不够的，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。

通过二个星期的学习，使我对电子工艺的理论有了更深的了解。了解到了焊普通元件与电路元件的技巧、印制电路板图的设计制作、电容定时器的工作原理等。这些知识不仅在课堂上有效，在日常生活中更是有着现实意义，也对自己的动手能力是个很大的锻炼。在实习中，我锻炼了自己动手能力，提高了自己解决问题的能力。通过本次实习培养了我理论联系实际的能力，提高了我分析问题和解决问题的能力，增强了独立工作的能力。最主要的是收获颇丰，具体如下：

（1）. 基本掌握手工电烙铁的焊接技术，能够独立的完成简单电子产品的安装与焊接。熟悉电子产品的安装工艺的生产流程，了解电子产品的焊接、调试与维修方法

（2）. 熟悉了有关软件EWB、AD6的使用，能够熟练使用普通万用表。 （3）.熟悉常用电子器件的类别、型号、规格、性能及其使用范围，能查找资料，查阅有关的电子器件图书等。

另外在这次实验中我们遇到了不少的问题，最终一一解决了遇到的问题。在我们遇到不懂的问题时，利用网上和图书馆的资源，搜索查找得到需要的信息。和老师、队友

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之间相互讨论，明白了团队合作的重要性。这次的制作也让我们感受到，我们在电子方面学到的只是很小的一部分知识，我们需要更多的时间来自主学习相关知识。

第5.2节设计收获体会

渐渐的看着大二就要过去了，期末即将到来!原本想着要好好的复习。但是课程设计又来了，并且这次的时间，比往年要晚一个多月。在这样紧张的情况下，要在两周时间内完成课题的设计，论文的撰写，实物的制作。说句实话，看起来真的不可行，当从辅导员处得知设计的消息后，犹如晴天霹雳，让人措手不及，莫不着头脑。后来静静的想了想，我们是学电子的，这本来对于我们而言就是我们力所能及的事情。学习了两年，并且好学习了模电，数电，单片机，电路分析等等专业课程。而且要求也是用数模电的知识来解决问题。都是些简单的电路，因该不成问题。

认认真真的想了这些问题后，我的心情也平静了不少。等待着老师下达任务。接下来的几天中，我把上学期中学过的数电书和电路分析的教材找了出来，还到图书馆去借了一些关于课程设计的书来看，开时做一些理论上的准备。顺便也是把学过的知识复习复习，也好为我考研的目标做些铺垫！

在接到老师下达的任务题目后，我们小组内便开始讨论，我们小组的六个人分成三个小队，分工配合的做设计。在开始的两三天里，我们所有的人都收集于我们课程设计相关的材料。收集材料后大家集体分工讨论可行的方案。于是开始每个小队各自的任务。一小队撰写论文；二小队制作实物，寻找元器件，做PCB板；三小队设计原理，画原理图，做仿真，画PCB图。接下的几天里大家都忙碌的工作，认真的完成自己的分内工作。而我就是三小队的，在设计过程中，我们遇到了很多的问题，如何用最简单电路实现我们的设计要求。有哪些不同的可行方案，最优方案是那个。如何在实验室有相关元器件的情况下，以及外界客观条件允许下。完成设计，原理图，PCB的绘制等问题都成为放在我们面前急需解决的问题。

特别是在方案的选择过程中我们在老师和小组内的多次商讨下决定了方案，我们采用数电的相关器件来实现电路，一次，两次，经过多次的反复商确我们定下了用555芯片构成的电路来实现。并在protues中反映了出来，但在接下来的protel99的PCB绘

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制中，实物电路器件和protel中的封装不匹配。制板成为了问题，但是由于学校制板机的问题，我们只好用普通板。从而一方面解决了一定的问题。

俗话说：万事开头来，有个好的开始，是个成功的一半。通过本次课程设计，将书本上学到的知识应用于实践，学会了一些电子电路仿真设计能力,虽然过程中遇到了一些困难，但是在解决这些问题的过程无疑也是对自己自身专业素质的一种提高与肯定。此次设计不仅增强了自己在专业设计方面的信心，鼓舞了自己，更是一次兴趣的培养。课程设计，是以学生自己动手动脑，并亲手设计、制作、组装与调试为特色的。它将基本技能训练，基本工艺知识和创新启蒙有机结合，培养我们的实践能力和创新精神，。作为信息时代的大学生，仅会书本理论是不够的，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件

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第五章 参考文献

参考文献：

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