课程设计(555时基电路)

555时基电路的研究与应用

一、仿真目的

1、熟悉555型集成时基电路结构、工作原理及其特点

2、掌握555型集成时基电路的基本应用

二、设计指标要求

555时基电路是一种双极型的时基集成电路，工作电源为4．5v～18v，输出电平可与TTL、CMOS和HLT逻辑电路兼容，输出电流为200mA，工作可靠，使用简便而且成本低，可直接推动扬声器、电感等低阻抗负载，还可以在仪器仪表、自动化装置及各种电器中作定时及时间延迟等控制，可构成单稳态触发器、无稳态多谐振荡器、脉冲发生器、防盗报警器、电压监视器等电路，应用及其广泛。为了便于分析和识别电路，更好的理解555电路，按555电路的结构特点进行分类和归纳，总结555时基电路的各种应用。

三、电路图设计原理

集成时基电路又称为集成定时器或555电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，二者的结构与工作原理类似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器。556和7556是双定时器。双极型的电源电压VCC＝+5V～+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压为+3～+18V。

1、555电路的工作原理

555电路的内部电路方框图如图1－1所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只 5KΩ的电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器A1 的同相输入端和低电平比较器A2

的反相输入端的参考电平为

CC

V

3

2

和

CC

V

3

1

。A1与A2的输出端控制RS触发器状

态和放电管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平

CC V 32时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；

当输入信号自2脚输入并低于CC

V 31

时，触发器置位，555的3脚输出高电平，

同时放电开关管截止。

D R 是复位端（4脚），当D R ＝0，555输出低电平。平时D R 端开路或接VCC 。

VC 是控制电压端（5脚），平时输出CC

V 32

作为比较器A1 的参考电平，当5

脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01μf 的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T 为放电管，当T 导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。 555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。

图1－1 555定时器内部框图及引脚排列

表1 555定时器的功能表

输入输出

阈值输入⑥触发输入②复位④输出③放电管VT⑦X X 0 0 导通

< 2/3 U DD< 1/3 U DD 1 1 截止

> 2/3 U DD> 1/3 U DD 1 0 导通

< 2/3 U DD> 1/3 U DD 1 不变不变

四、555定时器的典型应用

(1) 构成单稳态触发器

（一）、单稳态触发器的工作特点：

①电路在没有触发信号作用时处于一种稳定状态。

②在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态;

③由于电路中RC延时环节的作用，暂稳态不能长保持,经过一段时间后，电

路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间仅取与RC参数值有关。

（二）、单稳态触发器的分类：

按电路形式不同分为门电路组成的单稳态触发器、MSI集成单稳态触发器、用555定时器组成的单稳态触发器。

按工作特点划分为不可重复触发单稳态触发器、可重复触发单稳态触发器。（三）、单稳态触发器的应用

1. 定时

v I

t

t 1

0 t

t w1

t w1

v O1

0 t

t w2

t w2

v O

v I

O v B

O v A

O v O

O

t W

t

t

t

t

图1-2 用于频率计的单稳态触发电路

2. 延时

图1-3 用于延时的单稳态触发电路

3. 组成噪声消除电路

单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度而小于信号脉宽，才可消除噪声。 如用VI 作为下降沿触发的计数器触发脉冲,干扰加入,就会造成计数错误。

v O

与门

v A v B

t W

单稳态

v I

图1-4 用于消除噪声的单稳态触发电路

图1－5(a)为由55定时器和外接定时元件R 、C 构成的单稳态触发器。触发电路由C1、R1、D 构成，其中D 为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T 导通，输出端F 输出低电平，当有一个外部负脉冲触发

信号经C1加到2端。并使2端电位瞬时低于CC V 31，低电平比较器动作，单稳态

电路即开始一个暂态过程，电容C 开始充电，VC 按指数规律增长。当VC 充电到

CC V 32

时，高电平比较器动作，比较器A1 翻转，输出V0 从高电平返回低电平，

放电开关管T 重新导通，电容C 上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳态，为下个触发脉冲的来到作好准备。波形图如图1－5(b)所示。

暂稳态的持续时间tw （即为延时时间）决定于外接元件R 、C 值的大小。 RC T 1.1w =

通过改变R 、C 的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可以使用复位端（4脚）接地的方法来中止暂态，重新计时。此外尚须用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。

> C

R

V CC

C ex t R ext /C e xt

7412A 1 A 2 B

v I

Q

1D C1 R

Q

v O

(a)

(b)

图1－5 单稳态触发器

利用屏幕上读数指针读出单稳态触发器的暂稳态时间

T w =114.035us,如下图1－6所示;

图1－6 单稳态触发器的暂稳态时间

理论值计算

T w =110us

(2)构成多谐振荡器

多谐振荡器也称为无稳态触发器，它没有稳定状态，同时毋须外加触发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。因为矩形波含有丰富的谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器是常用的一种矩形波发生器。触发器和时序电路中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器产生的。

如图1－7(a)，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端 Ct 放电，使电路

产生振荡。电容C在

CC

V

3

1

和

CC

V

3

2

之间充电和放电，其波形如图1－7 (b)所示。

输出信号的时间参数是

振荡周期：

t t w

w

T

2

1

+

=

充电时间常数：

C

R

R

t w)

(7.0

2

1

1

+

=

放电时间常数：

C

R t w2

2

7.0

555电路要求R1 与R2 均应大于或等于1KΩ，但R1＋R2应小于或等于3.3M Ω。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此这种形式的多谐振荡器应用很广。

(a)

(b)

图1－7 多谐振荡器

根据振荡电路，计算出理论值并和仿真得到的测量值进行对比：

表二理论值与仿真测量值

理论值（us）仿真测量值（us）振荡周期109.2 119.318

充电时间常数71.4 81.439

放电时间常数37.8 37.879

(3) 组成占空比可调的多谐振荡器

电路如图1－8，它比图1－7所示电路增加了一个电位器和两个导引二极管。D1、D2 用来决定电容充、放电电流流经电阻的途径（充电时D1 导通，D2截止；放电时D2导通，D1 截止）。

占空比 P＝

≈

+2w

1

w

1

w

t

t

t

B

A

A

R

R

R

+

=

+)

R

0.7C(R

C

0.7R

B

A

A

可见，若取RA＝RB 电路即可输出占空比为50％的方波信号。

(a)

(b)

RA

RB

(c)

图1－8 占空比可调的多谐振荡器

表3 理论值计算和实验测量值(RA＝RB)

周期T（ms）占空比q（%）理论计算值 2.144 33.44

实验测量值 1.269 44.03

表4 理论值计算和实验测量值(RA≠RB)

周期T（ms）占空比q（%）理论计算值 1.407 ms 55.2

实验测量值 1.259ms 48.13

(4) 组成占空比连续可调并能调节振荡频率的多谐振荡器

电路如图1－9所示。对C1充电时，充电电流通过R1、D1、RW2和RW1；放电时通过RW1、RW2、D2、R2。当R1＝R2、RW2调至中心点，因充放电时间基本相等，其占空比约为50％，此时调节RW1 仅改变频率，占空比不变。如RW2调

至偏离中心点，再调节RW1，不仅振荡频率改变，而且对占空比也有影响。RW1不变，调节RW2，仅改变占空比，对频率无影响。因此，当接通电源后，应首先调节RW1使频率至规定值，再调节RW2，以获得需要的占空比。若频率调节的范围比较大，还可以用波段开关改变C1 的值。

图1－9 占空比频率均可调的多谐振荡器

案例一：

当R1＝R2、RW2调至中心点，因充放电时间基本相等，其占空比约为50％，此时调节RW1 仅改变频率，占空比不变，如图1-10所示。

（a）

（b）

图1-10 占空比50%

此时改变RW1为70%时，对比观察占空比的变化，如下图1-11所示：

（a）

（b）

图1-11 RW1改变下占空比

表五仅改变RW1占空比和频率的变化

RW150% RW170%

t w18.858ms 6.981ms

T17.358ms 14.151ms

f 0.0576 0.0706

占空比q 51.03% 49.3%

案例二：

如RW2调至偏离中心点，再调节RW1，不仅振荡频率改变，而且对占空比也有影响。如图1-12所示。

（a）

（b）

图1-12 占空比、频率均改变

表五仅改变RW1占空比和频率的变化

RW150% RW170% RW180%

RW270%

t w18.858ms 6.981ms 4.623

T17.358ms 14.151ms 12.547

f 0.0576 0.0706 0.079

占空比q 51.03% 49.3% 36.8%

通过对比，占空比和频率均发生改变。

(5)组成施密特触发器

（一）、施密特触发器电压传输特性及工作特点：

①施密特触发器属于电平触发器件，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。

②电路有两个阈值电压。输入信号增加和减少时，电路的阈值电压分别是

正向阈值电压（VT+）和负阈值电压（VT-）。

o V T+

v O V OH

V OL

V T - v I

图1-13同相输出施密特触发器

O

v I

v o V T － V T+

V OH V OL

图1-14反相输出施密特触发器

（二）、施密特触发器应用： 1.波形变换

图 1-15 波形变换

2.波形的整形

1

v I

v O

1

v I

v O

1

v I

v O

o v I

v O1

V OH

V OL

V T+

V T_

v I

t

v T+v T-

图1-16波形的整形

3.消除干扰信号

图1-17消除干扰信号

4.幅度鉴别

v I V T+ V T – 0 t

v O V OH V OL 0

t

(a)

v I V T+ V T – 0 t

v O V OH V OL 0

t

(b)

v O

v I

1

v I

O v O

O v O

O

?V T

?V T

t

t

t

o V T+

v O

V OH

V OL

V T -

图1-18幅度鉴别

电路如图1－19，只要将脚2、6连在一起作为信号输入端，即得到施密特

触发器。图1－20示出了vS，vi和vO的波形图。

设被整形变换的电压为正弦波vs，其正半波通过二极管D同时加到555

定时器的2脚和6脚，得vi为半波整流波形。当 vi上升到

CC

V

3

2

时，vO从高

电平翻转为低电平；当vi下降到

CC

V

3

1

时，vO又从低电平翻转为高电平。电路

的电压传输特性曲线如图1－21所示。回差电压△V＝

CC

V

3

2

－

CC

V

3

1

＝

CC

V

3

1

图1－19 施密特触发器

图1－20 施密特触发器vS ，vi 和vO 的波形图

vS vi vo