李　瑩

(天津市河?xùn)|區(qū)職工大學(xué)，天津　300162)

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555定時(shí)器典型應(yīng)用電路及其PCB設(shè)計(jì)

李瑩

(天津市河?xùn)|區(qū)職工大學(xué)，天津300162)

摘要：針對PCB教學(xué)中因忽略電路原理分析而使學(xué)生盲目進(jìn)行PCB學(xué)習(xí)的問題，提出了相應(yīng)的解決方法。即總結(jié)歸納了555定時(shí)器三個(gè)典型應(yīng)用電路，并對其工作原理進(jìn)行了分析，最后給出這些典型電路相應(yīng)的PCB設(shè)計(jì)。文本所提及的教學(xué)設(shè)計(jì)能夠使學(xué)生較快地掌握PCB設(shè)計(jì)方法，并對PCB學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，可供教師作為教學(xué)參考，同時(shí)也為課程整合提供了一些思路。

關(guān)鍵詞：555定時(shí)器；應(yīng)用電路；PCB設(shè)計(jì)

引言：

理解電路的工作原理及功能，是分析、設(shè)計(jì)及制作電路的首要基礎(chǔ)和先決條件。而在教學(xué)實(shí)踐中筆者發(fā)現(xiàn)，許多關(guān)于PCB設(shè)計(jì)與制作課程的教材都側(cè)重于分析講解如何去繪制出PCB原理圖并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出PCB圖，而忽略對電路本身原理的分析。所以教師在PCB設(shè)計(jì)的教學(xué)中，通常也會忽略這方面內(nèi)容的介紹，再加之教材中選擇的實(shí)例都過于復(fù)雜，使得學(xué)生只能盲目地去學(xué)習(xí)PCB制圖，形成為學(xué)制圖而制圖的現(xiàn)象。這樣做的結(jié)果是：違背了電路設(shè)計(jì)與制作的初衷，降低了PCB的教學(xué)效果，從而也影響到學(xué)生設(shè)計(jì)制作電路的積極性。

為了解決上述出現(xiàn)的問題，本文提供了相應(yīng)的解決方法，即給出PCB設(shè)計(jì)課程第一節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)，教師可以以此為思路，完善今后的PCB教學(xué)。本文將《數(shù)字電子技術(shù)》與《PCB設(shè)計(jì)與制作》兩門課程相結(jié)合，選用了《數(shù)字電子技術(shù)》中所介紹的應(yīng)用得非常廣泛的器件之一——555定時(shí)器及其構(gòu)成的典型電路作為PCB設(shè)計(jì)的對象，文中詳細(xì)介紹了這幾種典型電路的工作原理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了PCB設(shè)計(jì)。之所以選擇555定時(shí)器的典型電路作為PCB設(shè)計(jì)對象，原因在于：這些電路相對比較簡單，易于學(xué)生理解分析電路工作原理，繪制起來也相對容易；此外，555定時(shí)器是一種將模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路，用它可以設(shè)計(jì)出來各種不同用途的電路。由于它性能優(yōu)良，使用起來方便靈活，因而在電子玩具、家用電器等許多領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。

下面，首先介紹555定時(shí)器的功能，然后總結(jié)歸納出三種555定時(shí)器的典型應(yīng)用電路，并對其工作原理進(jìn)行分析，最后給出這些典型電路相應(yīng)的PCB設(shè)計(jì)。

一、555定時(shí)器的電路組成及工作原理

555集成時(shí)基電路又稱為集成定時(shí)器或時(shí)基電路，因集成電路內(nèi)部含有3個(gè)5kΩ電阻而得名。用它可以方便地構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器。

(一)555定時(shí)器的電路組成

555定時(shí)器主要由3個(gè)5kΩ電阻組成的分壓器、2個(gè)電壓比較器C1和C2、1個(gè)由G1和G2組成的基本RS觸發(fā)器、緩沖器G4和放電三極管TD組成。圖1為555定時(shí)器原理電路圖。

圖1　555定時(shí)器原理電路圖

(二)工作原理

綜上所述，可得到555定時(shí)器功能表，如下表1所示。

表1　555定時(shí)器功能表

二、555定時(shí)器典型應(yīng)用電路及其PCB設(shè)計(jì)

我選擇Protel 99SE 對555定時(shí)器的三種典型應(yīng)用電路進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。Protel 99SE是常用電路設(shè)計(jì)軟件之一，它的功能十分強(qiáng)大，具備原理圖設(shè)計(jì)、印制電路板(PCB)設(shè)計(jì)與布線、仿真分析等多種功能，在電子電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域占有非常重要的地位。

(一)555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器——觸摸開關(guān)電路

1.555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理

圖2　由555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(a)電路圖　　(b)工作波形

2.觸摸開關(guān)電路

(1)電路組成

觸摸開關(guān)電路是555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的典型應(yīng)用電路之一，其電路組成如圖3所示。

圖3　觸摸開關(guān)電路

(2)工作原理

(3)PCB設(shè)計(jì)

圖4　觸摸開關(guān)電路的原理圖設(shè)計(jì)

圖5　觸摸開關(guān)電路的PCB設(shè)計(jì)

觸摸開關(guān)電路的PCB設(shè)計(jì)過程如下：

打開原理圖編輯器，繪制電路原理圖，如圖4所示；

生成網(wǎng)絡(luò)表；

打開PCB編輯器，確定電路板類型，此電路選擇單面板，并進(jìn)行電路板邊界的規(guī)劃，此電路設(shè)計(jì)電路板長40mm，寬35mm；

載入網(wǎng)絡(luò)表；

進(jìn)行元器件布局，布局效果如圖5所示；

設(shè)置布線規(guī)則，此電路將電源線和地線加寬，最大線寬設(shè)置為2mm，默認(rèn)線寬設(shè)置為1mm；

進(jìn)行電路板布線，采取自動(dòng)布線，布線結(jié)果如圖5所示。

在整個(gè)PCB設(shè)計(jì)過程中，需要注意的是發(fā)光二極管VD的封裝引腳要和其電路原理圖中引腳相一致，否則，在載入網(wǎng)絡(luò)表時(shí)會提示出錯(cuò)。

教師可以將此電路的PCB設(shè)計(jì)作為PCB課程的開篇實(shí)例給學(xué)生進(jìn)行講解，原因在于：一是此電路涉及到的元器件不多，便于PCB設(shè)計(jì)中對元器件布局，但此電路涉及到電路中最基本的元器件，即電阻、電容(包括普通電容和電解電容)、芯片(555)，這樣學(xué)生在繪制電路原理圖時(shí)可以了解到這些最基本器件在原理圖中的添加方法，及其圖形符號和元器件相對應(yīng)的封裝。二是此電路簡單，涉及到的線路不多，便于PCB設(shè)計(jì)中對電路進(jìn)行布線。三是通過這一簡單的實(shí)例，可以讓學(xué)生快速地了解到PCB設(shè)計(jì)的基本步驟。四是學(xué)生可以通過此實(shí)例對電路板的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)對象及工作層面有一個(gè)基本的了解。五是學(xué)生可以學(xué)會原理圖編輯器和PCB編輯器這兩種最基本設(shè)計(jì)編輯器的使用方法。

(二)555定時(shí)器組成的多諧振蕩器——矩形脈沖發(fā)生器

1.555定時(shí)器組成的多諧振蕩器的工作原理

圖6　由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器

2.矩形脈沖發(fā)生器

圖7　矩形脈沖發(fā)生器

(1)電路組成

555組成的多諧振蕩器可以用作各種時(shí)鐘脈沖發(fā)生器，脈沖頻率可調(diào)的矩形脈沖發(fā)生器就是其中一種，其電路組成如圖7所示。

(2)工作原理

調(diào)節(jié)電位器RP可得到任意頻率的脈沖。由于電容C1的充放電回路的時(shí)間常數(shù)不相同，所以圖7所示電路的輸出波形為矩形脈沖，輸出矩形脈沖的占空比隨頻率的變化而變化。

(3)PCB設(shè)計(jì)

圖8　矩形脈沖發(fā)生器的原理圖設(shè)計(jì)

圖9　矩形脈沖發(fā)生器的PCB設(shè)計(jì)

矩形脈沖發(fā)生器的PCB設(shè)計(jì)過程與上述觸摸開關(guān)電路的PCB設(shè)計(jì)過程基本相同，在此不再贅述。圖8為矩形脈沖發(fā)生器的原理圖設(shè)計(jì)，圖9為矩形脈沖發(fā)生器的PCB設(shè)計(jì)。

要說明的是，此電路與觸摸開關(guān)電路不同的一點(diǎn)就是引入了電位器RP，學(xué)生由此可以了解到電位器的圖形符號及其封裝，其他地方和觸摸開關(guān)電路基本相同。所以教師可以在介紹完電路原理之后，把此電路作為習(xí)題讓學(xué)生練習(xí)，使學(xué)生進(jìn)一步熟悉PCB基本設(shè)計(jì)流程。

(三)555定時(shí)器組成的施密特觸發(fā)器——邏輯電平測試電路

1.555定時(shí)器組成的施密特觸發(fā)器的工作原理

圖10　由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器

2.邏輯電平測試電路

(1)電路組成

圖11　邏輯電平測試電路

(2)工作原理

圖11所示的邏輯電平測試電路其工作方式與施密特觸發(fā)器相同。若調(diào)節(jié)電位器RP使5腳電位為邏輯電平的門限電壓2.4V，則6腳的觸發(fā)電平為2.4V，2腳的觸發(fā)電平為1.2V。當(dāng)νI>2.4V時(shí)，555復(fù)位，紅色發(fā)光二極管亮。當(dāng)νI<1.2V時(shí)，555置位，綠色發(fā)光二極管亮。該測試電路可用于TTL、CMOS等邏輯電平的測試，被測信號的頻率不得超過25Hz，否則觀察效果不明顯。

(3)PCB設(shè)計(jì)

圖12　邏輯電平測試電路的原理圖設(shè)計(jì)

圖13　邏輯電平測試電路的PCB設(shè)計(jì)

圖12為邏輯電平測試電路的原理圖設(shè)計(jì)，圖13為邏輯電平測試電路的PCB設(shè)計(jì)。此電路PCB設(shè)計(jì)過程也與前面兩個(gè)電路基本一致，涉及到的元器件前面兩個(gè)電路也都出現(xiàn)過，應(yīng)該注意的問題也與前面兩個(gè)電路基本相同，再加之該電路的工作原理易于理解，所以教師可以把此電路的PCB設(shè)計(jì)作為作業(yè)讓學(xué)生自己練習(xí)，相信絕大多數(shù)同學(xué)能夠在理解該電路原理的基礎(chǔ)上用較快的速度準(zhǔn)確地完成該電路的PCB設(shè)計(jì)。

以上就是我結(jié)合分析電路工作原理對555定時(shí)器的三個(gè)典型應(yīng)用電路進(jìn)行的PCB設(shè)計(jì)，教師可參考選擇在PCB教學(xué)的第一節(jié)課介紹這三個(gè)電路。如前所述，這三個(gè)電路依次可作為教師講解實(shí)例、習(xí)題以及作業(yè)，在講解第一個(gè)電路時(shí)，可穿插介紹電路板的一些基本概念，如電路板的結(jié)構(gòu)、電路板的主要設(shè)計(jì)對象、電路板的工作層面等。眾所周知，講好課程的第一節(jié)課，會極大地促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程的熱情，相信通過這種教學(xué)設(shè)計(jì)會水到渠成地將學(xué)生帶入電子電路設(shè)計(jì)的大門。

此外，還需提及的是，PCB設(shè)計(jì)中原理圖符號設(shè)計(jì)和元器件封裝設(shè)計(jì)這兩個(gè)重要內(nèi)容在上述三個(gè)電路設(shè)計(jì)中沒有涉及，教師在講解實(shí)例的過程中應(yīng)予以提及，因?yàn)檫@兩方面也是PCB設(shè)計(jì)中不可缺少的兩個(gè)重要組成部分。另外，要學(xué)習(xí)好PCB設(shè)計(jì)還有許多細(xì)節(jié)地方需要掌握，如度量單位的轉(zhuǎn)換、柵格參數(shù)的設(shè)定、快捷方式的使用等。在PCB設(shè)計(jì)過程中也會經(jīng)常遇到一些問題，需要我們不斷積累經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行解決，只要這樣才能實(shí)現(xiàn)我們快捷、高效、準(zhǔn)確地完成電子電路設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

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555 Timer Typical Application Circuit and its PCB Design

LI Ying

(TianjinHedongDistrictStaffUniversity,Tianjin, 300162)

Abstract:the corresponding solution is proposed aimed at the problem that the analysis of circuit principle is ignored in PCB teaching, causing that the students study PCB blindly.Three typically application circuits of 555 timer are concluded and summarized, and its work principle is analyzed, and finally, the corresponding PCB design of these typical circuits is given.The teaching design mentioned in this paper enables the students to master the PCB design method rapidly and have a strong interest in learning PCB.It can provide a teaching reference for the teachers and also provide some thought for the course integration.

Key words:555 timer; application circuit; PCB design

中圖分類號：TN492

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-582X(2016)04-0080-07

作者簡介：李瑩(1982-)， 女，天津人，天津市河?xùn)|區(qū)職工大學(xué)講師，主要從事電子技術(shù)及其應(yīng)用的教學(xué)研究工作。

收稿日期：2016-03-04