专利名称：检测555集成电路逻辑电平的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种电子仪器或装置，特别涉及一种检测555集成电路逻辑电平的装 置及检测方法。
背景技术：
555集成电路自1972年问世以来，在电子电路设计中获得了最广泛的应用。但是， 在一些特殊的应用电路中，为了实现产品具有较好的一致性，同时又不允许增加产品成本， 就要求555集成电路的逻辑电平具有较高的一致性。然而，在实际应用中，555集成电路的 制造随着不同的厂家、不同的批次，其逻辑电平存在着差异，这种差异是集成电路生产中不 可避免的，而这种差异对通常要求不高的应用电路而言是没有影响的，而对一些特殊要求 的电路而言，这种差异是不能忽略的。例如，在温度控制电路的应用中，由于555集成电路 存在的这种差异，导致温度控制产生2 3°C的偏差，这将严重影响产品的一致性。例如要 求温度保持在3rC，如果不作器件筛选，结果就会出现同一批产品中有的产品温度是29°C; 有的是33t:。这对于批量生产的产品而言是不能接受的。特别是一些与人体皮肤接触的加 热产品，往往只差rC，人体就能感受到很大差异。换句话说，如果我们事先不知道555集成 电路的差异，那么每一个产品最终的控制温度都是随机的，也就是说在生产过程中具有一 定的盲目性。因此，在批量生产中，非常需要对555集成电路的逻辑电平的一致性进行检测 筛选。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述缺陷，设计、研制一种检测555集成电路逻辑电平
的装置及检测方法。 本发明的技术方案是 检测555集成电路逻辑电平的装置，其主要技术特征在于由单片机、D/A转换器、 电压跟随器组成；单片机输出端接D/A转换器，D/A转换器输出端接电压跟随器，电压跟随 器的输出端接被测555集成电路，555集成电路输出端输入到单片机。
本发明另 一技术方案是 检测555集成电路逻辑电平的方法，其主要技术步骤在于
(1)系统开始初始化； (2)单片机经D/A转换器、电压跟随器控制输出由低向高变化的模拟电压，单片机 每输出一个控制电压增量时，都检测被测555集成电路输出电平是否转化为低电平；
(3)当单片机检测到555集成电路输出由高电平转化为低电平时，记录并显示单 片机输出的控制电压； (4)单片机经D/A转换器、电压跟随器控制输出由高向低变化的模拟电压； (5)单片机检测被测555集成电路输出电平是否转化为高电平； (6)当单片机检测到555集成电路输出由低电平转化为高电平时，记录并显示单片机输出的控制电压；
(7)检测结束。 本发明的优点和效果在于测量过程由单片机自动完成，由于没有人为的因素参与 测量，所以，测量误差小，工作稳定可靠，工作效率高。 用单片机发出由程序控制的电压信号，同时用单片机检测555集成电路的输出状 态。单片机由程序控制输出数据量，用串行口虚拟技木由单片机I/0口输出控制数据给D/A 转换器MAX517，它把单片机的控制数据转换为控制电压，再经过电压跟随器使该控制电压 具有较强的带负载能力，保证提供给555集成电路的控制电压信号稳定，使555集成电路输 出可靠。 本发明的其他优点和效果将在下面继续说明。
图1—一本发明的方框原理示意图。图2—一本发明具体电子线路示意图。图3—一本发明的检测程序示意图。图4—一555集成电路的内部示意图。图5—一由555集成电路构成的波形发生器电路图。图6——理想状态下的波形。图7—一有偏差的波形。
具体实施例方式
如图l所示，是555集成电路的内部部分原理图。其中包含两个电压比较器IQ、 IC2和一个基本RS触发器IC3。
由图1可知: R,、 R2*和R3*形成一个分压电路，当= R2* = R3*时，由于R二 R2*、 R3*的分压作 用恰好将Vcc等分，即每个电阻上的压降均为1/3Vcc，而IQ和IG分别取1/3K即UJ 和2/3Vj即UH)作为电压比较器的参考电压(如图1)。 Un为低电平触发端电平电压，UiH 为高电平触发端电平电压，当Un和UiH同时低于各自的参考电压时(即低于^和U》，RS 触发器输出高电平。相反，RS触发器则输出低电平。 在设计电路时为了减小RAR/、R/的偏差对参考电压的影响，设计上将R二R/和 R/与IC1、 IC2、 IC3集成在同一个硅片上，用以提高电路的稳定性，并取电阻的阻值为5K， 也因此被取名为555集成电路。可实际生产中偏差只能縮小却永远不可能使偏差为零。不 同厂家、不同批次的集成电路，由于工艺条件随时都在变化，所以，每一片555集成电路内 部的参考电压不可避免的存在差异。
如图2、图3所示 本发明检测的目的就是测试555集成电路4的输出端由低电平转为高电平时，其 低电平触发端电平电压是多少，同样当555集成电路4的输出端由高电平翻转为低电平时， 其高电平触发端电平电压是多少。本发明包括单片机1 (CPU) 、D/A转换器2、电压跟随器3 (型号LM358)、按钮开关5和显示器(图中未画出，省略)。单片机l内安装有运行程序，单片机1输出端接D/A转换 器2， D/A转换器2输出端接电压跟随器3，而电压跟随器3的输出端接被测555集成电路 4。单片机1输出数字控制信号通过D/A转换器2使电压跟随器3输出一个随程序升降的 电压；555集成电路4的输出端输入到单片机1中，由单片机1判断555集成电路4输出状 态是否翻转， 一旦555集成电路4输出电平发生翻转，单片机1立即停止改变输出给555集 成电路4触发电压，同时记录并显示555集成电路4翻转时输入端的电平电压；单片机1根 据555集成电路4的输出状态来改变程序的运行。
具体而言 单片机1上的P2. 0和P2. 1端口接D/A转换器2的3脚和4脚，而D/A转换器2 输出端接电压跟随器3的输入端，D/A转换器2输出端接入被测的555集成电路4的输入 端，555集成电路4的输出端接单片机1的输入端；开关5接单片机1的P3. 7端。
当接通电源后，单片机1内部按图4所示的检测程序开始运行
首先完成系统初始化，等待接入被测物的信号；当被测555集成电路4接入电路 时，同时会触动开关5 ;单片机1获得开关5的信号后，开始判别555集成电路是否安装就 位，确认就位后输出一组由低向高逐渐变化的数字信号，即从1/4电源电压开始，此信号通 过D/A转换器2和电压跟随器3输出一个由低向高逐渐变化的电压信号，此电压信号接入 被测555集成电路4的输入端；当变化的电压信号达到555集成电路4的翻转电压时，555 集成电路4的输出端将输出低电平；555集成电路4输出端电平的变化使单片机1中断，并 显示与中断对应的数字量；随后，单片机1的程序转为输出由高向低逐渐变化的数字信号， 同样通过D/A转换器2和电压跟随器3输出一个由高向低逐渐变化的电压信号，当变化的 电压信号达到555集成电路4的翻转电压时，555集成电路4的输出端将由低电平翻转为 高电平输出；此变化输入到单片机1使之中断，并显示与中断对应的数字量；至此完成被测 555集成电路4的测量。取下被测555集成电路4，同时断开开关5。
再次进行说明过程 首先自动识别被测芯片是否安装就位，如发现被测芯片安装不到位，则鸣笛示意， 这样可以防止操作不当产生的损坏或误测。随后单片机输出能保证555集成电路输出高电 平的电压信号，即从1/4电源电压开始。以后进入循环检测状态，在1/4电源电压基础上，每 增加一个微小电压后，立即检查555集成电路的输出状态是否由"高"变为"低"电平，"否" 则继续增大控制电压，直到555集成电路的输出状态由"高"变为"低"电平时为止。记录 并显示555集成电路由高电平变为低电平时的控制电压。如果控制电压信号增大到一定极 限时，仍检测不到555集成电路的输出状态由高到低的电平翻转时，则鸣笛示意该芯片损 坏。接下来单片机改变控制电压信号，使其由增加变为减小，并检查555集成电路的输出状 态是否由"低"变为"高"电平，"否"则继续减小控制电压，直到555集成电路的输出状态由 "低"变为"高"电平为止。记录并显示555集成电路的由低电平变为高电平时的控制电压。
—个芯片必须经过从高到低，再经过由低到高的检测才能判断555集成电路是否 工作正常，然后将被测555集成电路标上测量数据，并将测量数据与标准值进行对比，淘汰 数据偏差较大的芯片。 由内部电路可以看出555集成电路是模拟电路和数字电路的综合产品，广泛应用 于家用电器及自动控制等多种领域，涉及儿童玩具、商业广告、农业、化工、机电控制、电子测量检测、报警等许多方面。 由于芯片内部存在如上所述的差异，在使用555这种模拟数字混合电路时，有时 就不能像使用数字电路那样，任意两片相同型号的电路尽管电路内部也会存在差异，但是 互换后，不会影响电路的逻辑功能，而模拟电路却不同，其电路参数的差异将会使整个电路 的功能发生明显地变化。尤其在一些精度要求较高的电路中，这种差异显得尤为突出。
现以由555集成电路组成的波形信号发生器为例，详细说明。 如图5所示，555集成电路构成的波形发生器，Rn R2和C是外接元件。其工作过程
如下，接通电源V^，经Ri和&对电容C充电，当电容电压u。上升至略高于UiH(图1中阐述
过，UiH = 2/3Vcc)时，555集成电路的Q端输出UQ为0，这时555集成电路内部的放电管使
T端(即图5的7脚)对电源的地端导通，电容C通过I^放电，电容电压Uc下降。当电容
电压Uc下降至略低于U^(图1中阐述过，U^ = 1/3Vcc)时，555集成电路的Q端输出U。为
1，此时555集成电路内部的放电管使T端截止，Vrc又经&和R2对电容C充电，如此重复上
述过程，设Q端的电压为UQ，则UQ的波形为连续的矩形波，如图6所示。 现在假设由制造产生的偏差使^与理想值之间的偏差是电源电压Vcc的-l/9，那
么^的实际值则为2/9Vrc，假设UH也有-1/9的偏差，那么UH的实际值为5/9Vcc。根据以上
工作过程，其实际波形图如图7所示。 已知电容的充放电规律为 uc (t) = uc ( °o ) + [uc (0+) —uc ( °o ) ] e-"T (1) 其中Uc(0+)为电容上的初始电压值； uc(①)为电容最终时刻可充到或放到的电压值； uc (t)为t时刻电容上的电压值； t为RC电路的时间常数，t = RC ; 由此可得电容的充放电时间为 t = RC*ln [ (uc (0+) _uc ( ^ ) / (uc (t) _uc ( ^ )] 1)假设555集成电路的内部分压电阻为理想状态，图5电路的电容充电过程如 下 电容由Uc(0+) = 1/3Vcc开始充电；最终可充到电源电压，即Uc(①)=Vcc，代入(1) 式得 uc(t) = Vcc+[l/3Vcc_Vcc]e—t/T
= Vcc_2/3Vcc*e—t/T (2) 当电容电压充到2/3Vcc时，555集成电路输出发生翻转，电容停止充电转换为开始
放电，此时ujt) = 2/3V『代入(2)式可得 Vcc2/3 = Vcc_2/3Vcc*e—t/T 解得电容充电时间tP1为 tP1 = (Ri+R》Cln2 = 0.7 (RA) C 同理图5电路的电容放电过程如下 电容由Uc(0+) 二2/3Vcc开始放电；正常情况下，最终可放到零，即Uc(①)=0，代 入公式(1)得: uc(t) = 0+[2/3Vcc_0]e—t/T
= 2/3Vcc*e—t/T (4) 当电容电压放到l/3Vrc时，555集成电路输出发生翻转，电容停止放电又开始新一
轮充电，此时Uc(t) = 1/3Vcc，把t = RC代入上式(4)可得 1/3VCC = 2/3Vcc*e—t/T 解得电容放电时间tP2为 tP2 = R2Cln2 = 0. 7R2C 有上述计算可知理论输出波形的周期为 输出波形的周期时间T就是电容的充电时间与放电时间的和，即
T = tP1+tP2 = 0. 7 (R,R》*C+0. 7R2C = 0. 7&C+1. 4R2C
其波形如图6所示 2)假设实际电路中的参考电压分别为^ = 2/9Vcc， UH = 5/9Vcc，电容由uc(0+)= 2/9V①开始充电；电容充电方程变为
uc(t) = Ucc+[2/9Vcc_Vcc]e—t/T
= Vcc_7/9Vcc*e—t/T (3) 当电容电压充到5/9Vrc时，555集成电路输出发生翻转，电容停止充电开始转换为 放电，把Uc(t) = 5/9Vcc代入(3)式
5/9Vcc = Vcc_7/9Vcc*e—t/T
解得实际电容充电时间tpl*为 tpl* = (I^+RjClnl. 75 = 0. 56(R一R2)C 同理电容从Uc(0+) = 5/9V①开始放电；放电方程为 uc(t) = 0+[5/9Vcc-0]e—t/T =5/9Vcc*e—t/T (5)
当电容电压放到2/9Vee时，555集成电路输出发生翻转，电容停止放电转换为开始 充电，把Uc(t) = 2/9Vcc，代入(5)式得
2/9Vcc = 5/9Vcc*e—"T
解得电容放电时间tp/为 tP2* = R2Cln2. 5 = 0. 92R2C 实际输出波形的周期
T = tP1*+tP2* = 0. 56 (R,R2) C+0. 92R2C = 0. 56&C+1. 48R2C 3)现将理想状态与实际状态的计算结果做如下对比分析
① 输出波形的周期
理想值T = tP1+tP2 = 0. 7 (R一R2) C+0. 7R2C = 0. 7&C+1. 4R2C 实际值:T = tP1*+tP2* = 0. 56 (Ri+Rj C+0. 92R2C = 0. 56&C+1. 48R2C
② 输出波形的频率
理想值f = 1/T = 1/(0. 7&C+1. 4R2C) = 1. 43/(R,2R2)C 实际值:f = 1/T = 1/(0. 56&C+1. 48R2C) = 25/(141^+371^0
③ 输出波形的占空比
理想值D = tP1/(tP1+tP2) = (Ri+ig / (R一2R2) 实际值D* = tP1*/(tP1*+tP2*) = [56(R,R2)]/(56R,148R2)
通过比较可知，由于555集成电路中的分压电阻偏差，引起波形信号发生器的偏
差。在此例中，U^减小33. 3%，^变化20% ;Uh減小16. 7%，^2变化31.4%。 以上分析是在假设电容C值和电阻值Rl、 R2相同的情况下，只是由于基准电压的
负偏差引起多谐振荡器产生的信号在周期和占空比上的变化。当然，实际上偏差的形式还
会有正偏差、一正一负等许多种情况，来影响基准电压，这里不再列举。为了弥补这些偏差
带来的不良影响，常常会采用外围的补偿电路来弥补或减小其不良影响。 实践表明，经检测仪器筛选、分类后，将偏差大的芯片剔出，另作他用，将偏差小、
符合一致性要求的芯片用在产品的批量生产中，使产品的一致性得到大幅提升。产品合格
率也因此从60%左右大幅提升至90%以上。
权利要求
检测555集成电路逻辑电平的装置，其特征在于由单片机、D/A转换器、电压跟随器组成；单片机输出端接D/A转换器，D/A转换器输出端接电压跟随器，电压跟随器的输出端接被测555集成电路，555集成电路输出端输入到单片机。
2. 检测555集成电路逻辑电平的方法，其步骤在于(1) 系统开始初始化；(2) 单片机经D/A转换器、电压跟随器控制输出由低向高变化的模拟电压，单片机每输 出一个控制电压增量时，都检测被测555集成电路输出电平是否转化为低电平；(3) 当单片机检测到555集成电路输出由高电平转化为低电平时，记录并显示单片机 输出的控制电压；(4) 单片机经D/A转换器、电压跟随器控制输出由高向低变化的模拟电压；(5) 单片机检测被测555集成电路输出电平是否转化为高电平；(6) 当单片机检测到555集成电路输出由低电平转化为高电平时，记录并显示单片机 输出的控制电压；(7) 检测结束。
3. 根据权利要求2所述的检测555集成电路逻辑电平的方法，其特征在于在被测555 集成电路输出电平发生翻转时，单片机立即停止输出给被测555集成电路的电压。
全文摘要
本发明涉及检测555集成电路逻辑电平的装置及检测方法。本发明是系统初始化后单片机经D/A转换器、电压跟随器控制输出模拟电压且每输出一个控制电压增量时检测555集成电路输出是否转化为低电平并记录单片机输出的控制电压，输出由高向低变化的模拟电压时是否转化为高电平时，记录单片机输出的控制电压，检测结束。本发明解决了555集成电路输出电平存在差异的缺陷。本发明测量过程由单片机自动完成，由于没有人为的因素参与测量，所以，测量误差小，工作稳定可靠，工作效率高，保证使用的555集成电路输出电平没有差异性并符合使用要求。
文档编号G01R31/3167GK101702007SQ200910232700
公开日2010年5月5日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年12月4日
发明者刘永理, 孟琪, 时维铎, 汪向华 申请人:南京林业大学