篇名 : 555 振盪電路應用介紹 作者 : 林志隆 高雄高工資訊 3 甲
壹 前言 從以往的重工業到現在的資訊產業 ; 從早期的類比訊號到數位訊號 電子產業的發展在近幾年特別的蓬勃, 尤其是在台灣這資訊的王國, 資訊業的發展真的一日千里 為了要跟上目前的時事, 所以說對於電子零件的基本認識應該是我們現在必備的一些知識 本文以數位邏輯課程所學之概念, 利用 共陽極七段顯示器 配合邏輯電路控制, 以及具定時輸出訊號的 "555 振盪電路 " 設計一顯示電路, 可依序在七段顯示器上顯示出 6 碼學號數字, 且不斷播放, 並探討其中的電路運作原理, 以及如何使用兩個邏輯閘以內, 將學號布林式電路組出, 以減少 IC 數量 再經由電路線路規劃後, 將其 IC 與零件和焊到電路板上, 並做最後測試是否為正確結果, 達到學以致用的效果 貳 正文 一 研究過程. 功能規劃 : 分析此電路之功能, 規劃出電路架構 : 圖一 整體電路示意圖 ( 自行繪圖 ) 2
2. 跟據 ( 圖一 ), 設計出完整之電路 3. 電路板設計 : A. 使用 TINA 繪畫出 ( 圖二 ) 電路圖 圖二 完整電路圖 ( 自行繪圖 ) B. 將所需邏輯 IC 振盪器 電容 電阻和七段顯示器, 以美觀與焊接方便性依序排列在電路板上 邏輯 IC 先以 IC 腳座替代放至定點, 其於零件依 ( 圖二 ) 電路圖放置 4. 焊接電路板 : A. 利用 OK 線 ( 因為以防短路及假焊, 所以只以 OK 線來焊接 ), 並確定線路無錯誤 B 將邏輯 IC 置入 IC 腳座 ( 須注意 IC 方向是否正確,IC 放置相反則無法動作 ) 5. 再次檢查電路有無短路或接錯, 確認無誤, 隨即測試成品, 檢測其輸出是否符合設計目的 3
二 電路分析 各電路 IC 原理說明 A. 七段顯示器工作原理 : 七段顯示器可分為共陽極與共陰極兩種, 其中每一段皆由一個 LED 所構成, 每一個 LED 的號電流最高可達 25mA 所以一個 7 段顯示器最大可消耗 7*25=25mA 一般使用時皆加上 33Ω 的限流電阻, 使 LED 工作於 ~2mA 間, 並防止 LED 燒毀 所以採用之七段顯示器為 共陽極七段顯示器 " 使用時只要在陽極加上正電源, 當 a b c d e f g 中之任一點輸入為低電位, 則電流由電源流入 LED, 使該段 LED 發亮, 因此只要能控制七點之輸入狀態就可以組出各種不同之字型 圖三 七段顯示器顯示之數字 ( 自行繪圖 ) 圖四 共陽極與共陰極七段顯示器內部電路與外觀 ( 註三 ) 4
B. 7447-BCD 對七段顯示解碼器 ( 共陽極 ) 說明 : 數位系統內的資料, 通常以二進位數碼表示, 而且這些資料總以某種特殊編碼方式出現, 而所謂的解碼器是能將二進位資料的 n 個輸入碼轉換成最多 2 N 種輸出中唯一輸出的組合電路 有 n 個輸入,m 個輸出的解碼器稱為 n m 解碼器 ( 註一 ) 致能腳控制 : LT : 燈泡控制輸入端 當其輸入為, 則 7447 處置於燈泡測試狀態, 使 abcdefg 全部輸入為, 若七段顯示器為良好則應顯示 8 當 LT = 則 7447 才可能正常解碼 所以我們將 7447 的 LT 腳接 VCC 使輸入為, 使 IC 正常工作 ( 註二 ) BI/RBO : 遮沒輸入 / 漣波遮沒輸出 ; 此腳強迫接邏輯 時屬於遮沒輸入的動作, 此時 a~g 等解碼輸出端全為, 若七段顯示器的電路正常 LED 應全暗 漣波遮沒輸出的功能則必須配合漣波遮沒輸入 (RBI) 接腳為邏輯 且 BCD 碼輸入端為 (ABCD =) 時, 此腳由 轉為 所以 BI/RBO 腳我們將他接 VCC 使輸入為 ( 註二 ) RBI : 漣波遮沒輸入控制 當 RBI 輸入, 則 7447 進入漣波遮沒狀態, 即當 ABCD 輸入為 時, abcdefg =, 使七段 LED 顯示器完全不亮, 當 ABCD 時, 則解碼器正常工作 故 RBI 為 遮沒之控制端 所以 RBI 腳我們也將他接 VCC 使輸入為 ( 註二 ) 圖五 7447 接腳圖 & 等效電路圖 ( 自行繪圖 ) 5
C. 749- 進位計數器 : 本電路是利用一個非穩態多諧振盪器產生方波去觸發計數器, 當電路運作時方波會開始觸發 IC749 重復計數 IC749 是一個十進位的計數器, 因為我們只需要六個不同的數位來當基本閘的輸入 ( 因為學號只有 6 碼 ), 所以在這裡是將計數器改變為 ~ 5 的六進制的計數器 改變的方法 : 將 749 的 R() R (2) 腳接到 QB QC 腳, 當計數器到 6 時, QB QC 會為高電位, 使 749 輸出為, 使 749 重復在 ~5 之間計數 圖六 749 內部電路圖 ( 註二 ) 6
D.:IC555 振盪器工作原理介紹 本電路需要不斷輸出學號, 故輸入訊號也需一直輸入 使用 IC555 組成無穩態振盪器, 使其訊號源連續輸出方波 如所示 ( 圖七 )IC555 所連接而成之無穩態多諧振盪器 工作原理 : i. 電源接上後,VCC 經 Ra Rb 向電容 C 充電,VC 未達 VCC 時, 正反器 3 被設定, 輸出 Vo 為 Hi ( 註二 ) ii. 2 VC 達到 VCC 時, 正反器被重置,Vo 輸出 LOW 此時放電電晶體 3 ON, 電容 C 經 Rb 至第七腳放電 ( 註二 ) iii. 當 VC 下降至 < 3 VCC 時, 正反器再次被設定, 輸出 Vo 為 Hi 此時 放電電晶體 OFF, 電容 C 恢復充電 ( 註二 ) iv. 充電週期 T =.693(Ra+Rb)C 放電週期 T ==.693RbC, 所以振盪週期 2 為 T =T + T ( 註二 ) 2 圖七 電路圖 & 充放電及輸出波形 ( 註二 ) 7
E 接腳介紹 : 圖八 IC555 接腳圖 ( 自行繪圖 ) 甲 Pin 接地 : 接電源負極 ( 註二 ) 乙 Pin2 觸發 : 當 Pin2 之電壓低於 /3Vcc 時, 會令輸出高電位及 Pin7 對地開路 ( 註二 ) 丙 Pin3 輸出 : 輸出腳, 由 Pin2 4 6 控制其為高電位或低電位 ( 註二 ) 丁 Pin4 重置 :Pin4 之電壓小於.4V 時, 輸出為低電位 Pin7 對地短路 所以不使用 Pin4 時, 應接於 V 以上之電壓 ( 註二 ) 戊 Pin5 控制電壓 :Pin5 直接與比較器的參考電壓相通, 充許由外界電路改變 Pin2 Pin6 之動作電壓 平時多接一個.μF 以上之電容到接地, 以避免雜訊干擾 ( 註二 ) 己 Pin6 臨界 :Pin6 之電壓高於 2/3Vcc 時, 會使輸出低電位 Pin7 對地短路 ( 註二 ) 庚 Pin7 放電 : 與輸出同步動作 當輸出高電位時,Pin7 對地開路 ; 輸出低電位時,Pin7 對地短路 ( 註二 ) 辛 Pin8(+Vcc): 電壓輸入, 最大可至 5V ( 註二 ) 8
圖九 IC555 內部電路圖 ( 註二 ) 2. 邏輯控制電路 : A. 輸入真值表 : 表. 學號電路增值表化簡 A B C 學號 Y3 Y2 Y Y 5 5 9 9
B. 卡諾圖畫簡 圖十 布林式化簡圖 ( 自行繪圖 )
C. 布林式化電路圖 I. 使用基本閘設計 經由化簡後 ( 如下圖十二 ) 圖十一 基本閘接線圖 ( 自行繪圖 ) 圖十二 基本閘化簡後接線圖 ( 自行繪圖 )
II. 使用 7438 解碼器設計 圖十三 7438 解碼器接線圖 ( 自行繪圖 ) Y(A,B,C) =Σ(,2,5) Y2(A,B,C) =Σ(,2) Y3(A,B,C) =Σ(5) 2
III. 使用 PLA 設計 表 2. PLA 電路化簡 積項 輸入 AND OR 輸出 A B C Y Y2 Y3 A C AC 圖十四 PLA 接線圖 ( 自行繪圖 ) 參 結論 一 心得 測試電路時, 遇到許多問題, 如 : 最後的輸出不符和結果, 於是開始從 IC555~ 七段顯示器逐一偵錯, 發現所有線路都接對, 後來無意間翻到實習課本的後面的各 IC 接腳圖, 檢查出邏輯閘 IC742 的內部電路圖與一般邏輯閘的輸入跟輸出腳相反, 造成最後結果不正確, 改正之後輸出就符合我的要求 於是每當幫別人檢查有問題的電路時, 都會先檢查是否有使用 IC742, 並偵查有無接錯輸入端 另外 IC555 方面, 有一次測試電路時, 看了老半天都無錯誤, 輸出到七段顯示器的點ㄧ直亮著不閃, 最後發現是電阻用太小, 造成閃爍數度太快而看不出來 改正之後恢復正常, 讓我又發現一個需要注意的地方 後來為了預防零件與接腳接錯, 我便手繪了 IC555 到 IC749 跟 IC7447 到七段顯示器的接腳圖 焊接方面, 第一次使用焊點較小的電路板有點不習慣, 常常因為烙鐵接觸焊點太久引起焊點脫落, 或是焊點上焊錫使用過多造成與隔壁焊點相黏 另外焊完後各零件部份都會突出ㄧ點, 造成焊接面不美觀, 於是使用斜口鉗剪去多餘的接腳, 沒想到不正錯的作法, 差點讓我眼睛失 3
明 在剪 IC 腳的過程中, 因眼睛太靠近電路板, 眼球被剪下的 IC 腳碎片噴到眼睛, 還好即時使用衛生紙取出 後來請教老師以後, 才發現順序是先將各零件焊一點到使零件固定住, 再將多餘的 IC 腳剪除, 之後在完全補滿焊錫 最後發現烙鐵尖端不熱的問題, 當我正想重新買一個尖端時, 老師交我將尖端氧化物刮除, 並馬上上錫即可解決此問題 之後詢問原理後發現, 焊息內含有去氧化物的成分, 可以解決烙鐵尖端不熱的情形 二 改進 本次成品的缺點是體積太大, 加上需外接電源, 所以感到不太實用 我覺得可以將此電路再做的更小, 並加裝太陽能電池 + 動能發電 ( 當人走動時自動產生電力 ) 運用在學校每個學生身上 例 : 當有人遲到時, 不需要在有人在校門登記, 只需要再每位學生胸前裝此電路, 當超過規定時間經過校門時, 門口會有一感應裝置將此遲到學生的班級 姓名 學號, 自動傳送到教官室的統計資料裡 圖十五 改良品示意圖 ( 自行繪圖 ) 礙於目前所學理論和技術不足, 所以無法將此電路設計出 希望以後有能力時可以設計出此系統 4
圖十六 作品成品圖 參考資料 ( 註一 ): 郭塗註 黃錦華編著, 數位邏輯, 華興文化事業公司 ( 註二 ): 盧正川 張益順編著, 數位邏輯實習, 旗立資訊股份有份公司 ( 註三 ) http://w3.cpu.com.tw/kh/m/led-r/led-d.html 5