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℃的偏差，这将严重影响产品的一致性。例如：要求温度保持在31℃，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℃；有的是33℃。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1℃，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，用串行口虚拟技术由单片机I/O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。
【附图说明】
图1——本发明的方框原理示意图。
图2——本发明具体电子线路示意图。
图3——本发明的检测程序示意图。
图4——555集成电路的内部示意图。
图5——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——有偏差的波形。
【具体实施方式】
如图1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IC1、IC2和一个基本RS触发器IC3。
由图1可知：
R1*、R2*和R3*形成一个分压电路，当R1*＝R2*＝R3*时，由于R1*、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IC1和IC2分别取1/3VCC(即：UL)和2/3VCC(即：UH)作为电压比较器的参考电压(如图1)。UiL为低电平触发端电平电压，UiH为高电平触发端电平电压，当UiL和UiH同时低于各自的参考电压时(即：低于UL和UH)，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R1*、R2*、R3*地偏差对参考电压的影响，设计上将R1*、R2*和R3*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缩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1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。
一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，R1，R2和C是外接元件。其工作过程如下，接通电源VCC，经R1和R2对电容C充电，当电容电压uC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R2放电，电容电压uC下降。当电容电压uC下降至略低于UiL(图1中阐述过，UiL＝1/3Vcc)时，555集成电路的Q端输出UQ为1，此时555集成电路内部的放电管使T端截止，VCC又经R1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UL与理想值之间的偏差是电源电压Vcc的-1/9，那么UL的实际值则为2/9VCC，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(∞)+[uC(0+)-uC(∞)]e-t/τ (1)
其中：uC(0+)为电容上的初始电压值；
uC(∞)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；
τ为RC电路的时间常数，τ＝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(∞)＝VCC，代入(1)式得：
uC(t)＝VCC+[1/3VCC-VCC]e-t/τ
＝VCC-2/3VCC*e-t/τ (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uC(t)＝2/3VCC，代入(2)式可得：
VCC2/3＝VCC-2/3VCC*e-t/τ
解得电容充电时间tP1为：
tP1＝(R1+R2)Cln2＝0.7(R1+R2)C
同理图5电路的电容放电过程如下：
电容由uC(0+)＝2/3VCC开始放电；正常情况下，最终可放到零，即uC(∞)＝0，代入公式(1)得：
uC(t)＝0+[2/3VCC-0]e-t/τ
＝2/3VCC*e-t/τ (4)
当电容电压放到1/3VCC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τ＝RC代入上式(4)可得：
1/3VCC＝2/3VCC*e-t/τ
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(R1+R2)*C+0.7R2C＝0.7R1C+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UL＝2/9VCC，UH＝5/9VCC，电容由uC(0+)＝2/9VCC开始充电；电容充电方程变为：
uC(t)＝UCC+[2/9VCC-VCC]e-t/τ
＝VCC-7/9VCC*e-t/τ (3)
当电容电压充到5/9VCC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/τ
解得实际电容充电时间tp1*为：
tp1*＝(R1+R2)Cln1.75＝0.56(R1+R2)C
同理电容从uC(0+)＝5/9VCC开始放电；放电方程为：
uC(t)＝0+[5/9VCC-0]e-t/τ
＝5/9VCC*e-t/τ (5)
当电容电压放到2/9VCC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/τ
解得电容放电时间tP2*为：
tP2*＝R2Cln2.5＝0.92R2C
实际输出波形的周期：
T＝tP1*+tP2*＝0.56(R1+R2)C+0.92R2C＝0.56R1C+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(R1+R2)C+0.7R2C＝0.7R1C+1.4R2C
实际值：T＝tP1*+tP2*＝0.56(R1+R2)C+0.92R2C＝0.56R1C+1.48R2C
②输出波形的频率：
理想值：f＝1/T＝1/(0.7R1C+1.4R2C)＝1.43/(R1+2R2)C
实际值：f＝1/T＝1/(0.56R1C+1.48R2C)＝25/(14R1C+37R2C)
③输出波形的占空比：
理想值：D＝tP1/(tP1+tP2)＝(R1+R2)/(R1+2R2)
实际值：D*＝tP1*/(tP1*+tP2*)＝[56(R1+R2)]/(56R1+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，UL减小33.3％，tP1变化20％；UH减小16.7％，tP2变化31.4％。
以上分析是在假设电容C值和电阻值R1、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。