555定时器

1 绪论

在科技日星月异的今天，各式各样的电子产品比比皆是。这些电子产品都是由一些中小规模的集成电路和一些元器件构成的555定时器是一种将模拟功能与数字（逻辑）功能机密结合在一起的中小规模单片集成电路。它功能多样，应用广泛，只要外部配上几个阻容元器件即可构成单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器等电路，是脉冲波形产生与变换的重要元器件，广泛应用于信号的产生与变换、控制与检测、家用电器以及电子玩具等领域。这次要设计的555声控电子猫电路中就用到了555定时器构成的单稳态延时电路。同时还要用到音频放大器和音频振荡器。

1. 1 集成555定时器

集成555定时器是一种将模拟电路与数字电路的功能巧妙结合在一起的多用途单片集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少许的阻容元件就可以构成脉冲单元电路，因而在自动控制、仪器仪表和实用电器等许多领域都得到了广泛的应用。

555定时器根据内部器件类型可分为双极型和单极型。它的电源电压范围宽（双极型555定时器为5-16V，单级型555定时器为3-18V），可提供与TTL与CMOS数字电路兼容的接口电平，还可以输出一定功率，驱动微电动机、指示灯和扬声器等。555定时器又可分为单定时器和双定时器型。TTL单定时器型号的最后三位数字为555，双定时器的为556；CMOS单定时器的最后四位数为7555，双定时器的为7556。

1. 2 音频放大器

进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等等。所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子设备中也需要。因为，功率越大，效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴

起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。

1. 3 音频振荡器

人们把人耳能够听到的振动频率称为音频（也有称声频），它的频率范围是从20Hz—20KHz,低于20Hz的频率称次声波，高于20KHz的频率称超声波。能够产生20Hz－20KHz的振荡器就称为音频振荡器，它一般可作信号源来使用。振荡器在通信、广播、自动控制、仪表测量和超声探伤等方面具有广泛用途。根据电路的组成不同，可分为RC振荡器、LC振荡器和石英晶体振荡器。

2 用555定时器构成的单稳态触发器

2. 1 555定时器的电路结构和工作原理

555定时器的内部电路结构如图1所示。它由电阻分压器、两个电压比较器C1和C2、RS触发器、放电三极管VT及缓冲器G构成。

图1 555定时器的内部电路结构

555定时器的主要功能取决于比较器，比较器的输出控制触发器和放电三极管VT的状态，进而决定定时器的输出。由图1所示电路结构的分析可知，555定时器主要有以下4种功能。

１.复位（直接置0）复位端D

R有最高的优先级别，只要D

R=0,无论其他输入端出于何种状态，定时器的输出端即可置0。

２．置1 当u

Ｉ１

Ｒ１

，u

I 2

R 2

时，触发器的输入端u

Ｃ１

＝R＝１，u

C 2

=S=0,

故触发器被置1，输出u

O

=1,同时VT截止。由于该触发器是输入低电平有效，而当

U I 2为低电平（u

I 2

<1/3V

CC

）时，u

C 2

=S=0,所以把U

I 2

称为低电平触发端。

3．置0 当u

Ｉ１

>U

Ｒ１

，u

I2

>U

R 2

时，触发器的输入端u

Ｃ１

＝R＝0，u

C 2

=S=1,

故触发器被置0，输出u

O

=0,同时VT导通。由于该触发器是输入低电平有效，而当

u I 2为高电平（u

I 1

>2/3V

CC

）时，u

C 1

=R=0,所以把u

I 1

称为高电平触发端。

4．保持当u

Ｉ１

Ｒ１，

u

I 2

>u

R 2

时，触发器的输入端u

Ｃ１

＝R＝１，u

C 2

=S=1,

故触发器的状态保持不变，因而VT和输出u

O

的状态保持不变。

2. 2 555定时器构成的单稳态触发器

2.2.1 电路组成与工作原理

555定时器构成的单稳态触发器的电路结构和简化连线图如图2所示。R和C 是定时元件，输入触发信号ui加在低电平触发端（2引脚），输出信号为uo。

图2 用555定时器构成的单稳态触发器的电路结构及简化连线图1. 稳定状态

当无触发信号时u

Ｉ为高电平，则电路处在稳定状态，输出为u

O

=0,三极管VT

导通，电容电压u

C

=0。

假设接通电源后触发器停在Q=0的状态，三极管VT导通，电容C上的电压u

C

为低电平，此时电压比较器C

1，C

2

输出为u

C1

=1,u

C2

=1,这时基本RS触发器保持0状

态不变。

假设接通电源后触发器停在Q=1状态，三极管VT截止，则V

CC

进电阻R向电容

C充电。当电容C上的电压u

C >2/3V

CC

时，电压比较器C

1

的输出u

C1

=0。同时u

Ｉ

为高

电平且u

Ｉ>1/3V

CC

，电压比较器C

2

的输出U

C2

=1。基本RS触发器置0，输出为u

O

=0，

与此同时，三极管VT导通，电容C经VT迅速放电，u

C =0，比较器C

1

的输出为u

C1

=1,

这时基本RS触发器的两个输入信号为高电平1，保持0状态不变。

因此通电后电路自动停在U

O

=0的状态不变。

2．触发进入暂稳态

当输入触发信号u

Ｉ由高电平下降到低电平1/3V

CC

时，电压比较器C2的输出

u C2=0。由于此时u

C

=0，因此u

C1

=1。基本RS触发器置1，Q=1，输出为u

O

=1。与此同

时三极管VT截止，电源V

CC

经电阻R向电容C充电，电路进入暂稳态。

3．自动返回稳定状态

由于充电作用，电容C上的电压逐渐增大。当u

C ≥2/3V

C C

时，电压比较器C

1

的输出u

C 1=0.同时u

1

为高电平且u

I

≥1/3V

C C,

,电压比较器C

2

的输出u

C 2

=1，基本RS

触发器置0，Q=0,输出为u

O

= 0，与此同时，三极管VT导通，电容C经VT迅速放

电，u

C

=0，电路自动返回稳态。

2.2.2 主要参数

1．输出脉冲宽度

单稳态触发器的输出脉冲宽度t

W

即为暂稳态持续时间，也就是电容C上的电压

由0V升到2/3V

C C

所需的时间，即由电容的充电时间常数τ=RC决定。利用一阶电

路过渡过程的公式：u

C (t)=u

C

(∞)-[u C(∞)-u C(0+)]e-t/

τ

（2-1）

式中，u

C

(∞)=V C C，为电容C充电的终值电压值；u C(0+)=0V，为电容C充电时的起始电压值，τ=RC;为电容C充电的时间常数。

当充电时间t=t

W 时，u

C

（t

W

）=2/3V

C C

，这时暂稳态结束时的转换电平，将上述

各值代入式（2-1），可得

t

W

=τln[u C(∞)-u C(0+)]/[ u C(∞)-u C(t W)]=RCln(V C C-0)/( V C C-2/3V C C)

=RCln3=1.1RC (2-2)

式(2-2)说明，单稳态触发器的输出脉冲宽度t

W

仅决定于时间元件R和C的取值，

与输入触发信号和电源电压无关，调节R和C的取值，即可方便调节t

W

。需要指出

的是，触发负脉冲u

I 的宽度要小于t

W

。如果触发负脉冲的宽度大于所要求的宽度

tW，则可以在uI和触发器输入端之间接入RC微分电路。

2．恢复时间T

re

暂稳态结束后，还需要一段恢复时间，以便使电容C在暂稳态期间所存储的

电荷释放完，使电路恢复到起始状态。一般取T

re

=(3-5)τ2,τ2=R CES C. R CES是VT的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此放电速度非常快。

3．最高工作频率f

max

如果输入触发信号是周期为T的连续脉冲时，为保证单稳态触发器能正常工

作，则应满足如下条件：T>t

W +T

re

，即相邻两次触发脉冲的时间间隔应大于T

W

+T

re

.

最小周期为 T

min =T

W

+T

re

最小频率为 fmax=1/Tmin=1/(T

W

+Tre) (2-3)

3音频放大器

3．1 音频放大器背景

音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。音频范围为约20Hz～ 20kHz，因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应(驱动频带受限的扬声器时要小一些，如低音喇叭或高音喇叭)。根据应用的不同，功率大小差异很大，从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦，直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上，大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。

3. 2 音频放大器的基本原理

音频放大器的一种简单模拟实现方案是采用线性模式的晶体管，得到与输入电压成比例的输出电压。正向电压增益通常很高(至少40dB)。如果反馈环包含正向增益，则整个环增益也很高。因为高环路增益能改善性能，即能抑制由正向路径的非线性引起的失真，而且通过提高电源抑制能力(PSR)来降低电源噪声，所以经常采用反馈。

图3音频放大器原理图

4音频振荡器

4. 1 多谐振荡器

多谐振荡器是只要接通电源自己就能产生矩形波，所以也叫做自激振荡器。它的特点是：没有稳态，只有两个暂稳态；通过电容的充电和放电，是两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，无需外触发；输出周期性的矩形脉冲信号，含有丰富的谐波分量。

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参考文献（小3号黑体，加粗，居中）

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[2] ××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××

[3] ××××××××××××××××××××××

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致谢（小3号黑体，加粗，居中）

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