555定时器的基本特性和用法.docx
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555定时器的基本特性和用法
555定时器的基本特性和用法
【摘要】
简要说明555定时器的内部电路结构及功能，对555定时器接成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器三种典型电路进行了详细的分析。
【关键词】555定时器；施密特触发器；单稳态触发器；多谐振荡器；
1前言
555定时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因设计时输入端有三个5KΩ的电阻而得名。
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的集成器件。
目前品种繁多，主要有TTL和CMOS两大类型，它们的电路结构和工作原理基本相同。
TTL型（以5G555为代表）驱动能力较强，电源电压范围为5~16V，最大负载电流可达200mA；而CMOS型（以CC7555为代表）则具有功耗低、输入电阻高等优点，电源电压范围为3~18V，最大负载电流在20mA以下。
产品型号尾数为555的是TTL型单定时器，双定时器为556；型号尾数为7555的是CMOS型单定时器，双定时器为7556。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以方便实现多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
由于使用灵活，方便，所以555定时器在波形的产生与变化，测量与控制，家用电器，电子玩具等许多领域中得到了应用。
2555定时器的电路结构与基本特性
2.1电路组成
图1是国产双极型定时器CB555的电路结构图。
它由比较器C1和C2，SR锁存器和集电极开路的放电三极管VT三部分组成。
为了提高电路的带负载能力，还在输出端设置了缓冲器G4。
1电阻分压器
由3个阻值均为5kΩ的电阻串联构成分压器，为电压比较器C1和C2提供参考电压UR1、UR2。
②电压比较器C1和C2
电压比较器C1和C2是两个结构完全相同的理想运算放大器。
当运算放大器的同相输入U+大于反相输入U-时，其输出为高电平1信号；而当U+小于U-时，其输出为低电平0信号。
比较器C1的同相输入端接参考电压UR1，反相输入端与阈值输入端TH相连，其输出端R的状态取决于阈值输入信号UTH与UR1的比较结果。
当UR1＞UTH时，输出R为高电平1；当UR1＜UTH时，输出R为低电平0。
比较器C2的同相输入端与触发输入端相连，反相输入端接参考电压UR2，其输出端S的状态取决于触发输入信号UTR与UR2的比较结果。
当UTR＞UR2时，输出S为高电平1；UTR＜UR2时，输出S为低电平0。
③基本R-S锁存器
两个与非门G1和G2构成了R-S锁存器，这个锁存器是以低电平作为输入信号的。
锁存器输入信号R、S为比较器C1、C2的输出，并且用S和R分别表示置1输入端和置0输入端。
锁存器Q端状态与电路输出端OUT的状态一致，锁存器Q端状态影响着放电三极管T的导通与截止。
当外部复位信号R’为0（低电平）时，可使Uo=0，定时器输出直接复位。
S-R锁存器的功能表如下
S
R
Q
Q*
11
11
01
01
10
10
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
由于S=R=0时出现非定义的Q=Q*=1，所以在正常工作时应当使S’*R’=0。
④放电三极管VT
放电三极管VT构成泄放电路，VT的集电极用输出端D表示。
如果将D端经过一个外接电阻接至电源，即可组成一个反相器。
当Q=0时，T导通，D端输出为低电平0；当Q=1时，VT截止，D端输出为高电平1。
可见，D端的逻辑状态与输出端OUT的状态相同。
⑤输出缓冲器
输出缓冲器G3的作用是提高负载能力，并隔离负载对定时器的影响。
2.2工作原理
6端口是比较器C1的输入端，2端口是比较器C2的输入端。
C1和C2的参考电压UR1和UR2由Vcc经三个5K电阻分压给出。
在控制电压输入端co悬空时，UR1=2/3Vcc,UR2=1/3Vcc。
如果co外接固定电压，则UR1=Uco,UR2=1/2Uco。
为了防止干扰，当不外加控制电压时，CO端一般通过一个小电容（如0.01μF）接地，以旁路高频干扰。
R’是置零输入端。
只要在R’端加上低电平，输出端便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。
正常工作时必须使R’处于高电平。
由图1得到了CB555的功能表
输入
输出
R’
UR1
UR2
Uo
TD状态
0
1
1
1
1
X
>2/3Vcc
<2/3Vcc
<2/3Vcc
>2/3Vcc
X
>1/3Vcc
>1/3Vcc
<1/3Vcc
<1/3Vcc
低
低
不变
高
高
导通
导通
不变
截止
截止
TH接至反相输入端，当TH＞UR1时，UC1输出低电平，使触发器置0，故称为高触发端（有效时置0）；
TR接至同相输入端，当TR＜UR2时，UC2输出低电平，使触发器置1，故称为低触发端（有效时置1）。
3555定时器的用法
可以设想，如果使UC1和UC2的低电平信号发生在输入电压信号的不同电平，那么输出与输入之间的关系将为施密特触发特性；如果在TR’加入一个低电平触发信号以后，经过一定的时间能在UC1输入端自动产生一个低电平信号，就可以得到单稳态触发器；如果能使UC1和UC2的低电平信号交替地反复出现，就可以得到多谐振荡器。
3.1555定时器接成的单稳态触发器
1电路结构
若以555定时器的TR’端作为触发信号的输入端，并将由VT和R组成的反相器输出电压D端接至TH端，同时在TH对地接入电容C，就构成了如图2所示的单稳态触发器。
图2
2工作原理
触发信号vI是一负脉冲。
当触发脉冲尚未输入时，vI为高电平且vI>1/3VCC，比较器C2的输出为1。
若
，则晶体管T饱和导通，电容C通过T放电，直至当UC<2/3VCC时，比较器C1输出为1，触发器状态不变；若
，则晶体管VT截止，电容C充电，当UC>2/3Vcc时，C1输出为0，使RS触发器翻转成
。
一旦RS触发器翻转成0状态，若无外触发脉冲则状态一直保持。
所以在触发负脉冲vI到来前，Q=0、输出v0为零，是稳定状态。
若在t1时输入幅值低于1/3VCC的触发负脉冲，则C2的输出为0，将RS触发器置1，U0由0变为1，电路开始进入暂稳状态。
此时晶体管VT由于
=0而截止，电源对电容C充电。
即使在t2时刻触发负脉冲已消失，C2的输出变为1，但
为低电平有效，故电源对电容C的充电继续进行。
直到t3时UC=2/3Vcc时，C1的输出为0，才使触发器翻转到
稳定状态。
此后电容C迅速放电。
可见，Q=1、输出U0为高电平，是暂稳状态。
3单稳态触发器电路输出脉冲宽度的计算
输出Uo的脉冲宽度tW也就是暂稳态的持续时间，可根据Uc的波形计算。
根据RC电路瞬态过程的分析，可得到：
这种电路产生的脉冲宽度可以从几微秒到数分钟。
可通过改变R、C元件参数调节脉冲宽度。
综上所述，用555定时器构成的单稳态触发器是负脉冲触发形式，且暂稳态维持时间为TW=lnRC≈1．1RC，仅与电路本身的参数R、C有关。
（4）555单稳态触发器问题讨论
需要指出的是，输入触发信号vI的脉冲宽度（低电平的保持时间），必须小于电路输出vO的脉冲宽度（暂稳态维持时间tW），否则电路将不能正常工作。
因为当单稳态触发器被触发翻转到暂稳态后，如果vI端的低电平一直保持不变，那么555定时器的输出端将一直保持高电平不变。
解决这一问题的一个简单方法，就是在电路的输入端加一个RC微分电路，即当vI为宽脉冲时，让vI经RC微分电路之后再接到vI2端。
不过微分电路的电阻应接到VCC，以保证在vI下降沿未到来时，vI2端为高电平。
3.2555定时器接成的施密特触发器
3.2.1施密特触发器
施密特触发器是一种特殊的双稳态时序电路，与一般的双稳态触发器相比，它具有如下两个特点：
①施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号同样适用。
只要输入信号电平达到相应的触发电平，输出信号就会发生突变，从一个稳态翻转到另一个稳态，并且稳态的维持依赖于外加触发输入信号。
②对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平。
这一特性称为滞后特性或回差特性。
3.2.2555定时器构成的施密特触发器
（1）电路结构
将555定时器的和两个输入端连在一起作为信号输入端，如图所示，即可得到施密特触发器。
（2）该电路工作原理如下：
首先从Ui自０逐渐升高的过程来分析：
当Ui<1/3Ucc时，UTH=UTR’<1/3Ucc,则Uc1=1,Uc2=0,Q=1，故电路输出Uo为高电平UOH
当1/3Ucc1/3Ucc,则Uc1=Uc2=1，故电路输出Uo为高电平UOH保持不变
当Ui>2/3Ucc时，UTH=UTR’>2/3Ucc则，故电路输出Uo为低电平UOL。
因此电路的正向阈值电压UT+=2/3Ucc
其次，从Ui自高于2/3Ucc开始下降的过程分析
当1/3Ucc1/3Ucc,则Uc1=Uc2=1，故电路输出Uo为低电平UOL保持不变
当Ui<1/3Ucc时，UTH=UTR’<1/3Ucc,则Uc1=1,Uc2=0,Q=1，故电路输出Uo为高电平UOH。
因此，电路的负向阈值电压UT-=1/3Ucc
由以上分析可以得到：
在本电路中555定时器接成的施密特触发器是一个典型的反相输出施密特触发器，并且该电路的回差电压为
△UT=UT+-UT-=1/3Ucc
（3）问题讨论
回差电压的调节。
如果参考电压由外接电压Uco提供，则此时的UT+=Uco，UT-=1/2Uco,△UT=1/2Uco，这样通过调节Uco的值便可以调节回差电压的大小
（4）典型应用
施密特触发器的典型应用有波形变换、脉冲整形、幅值鉴别等。
波形变换：
施密特触发器能将正弦波、三角波或任意形状的模拟信号波形变换成矩形波。
图（a）所示是将正弦波变换成矩形波。
脉冲整形：
经传输后的矩形脉冲往往由于干扰及传输线路的分布电容等因素而使信号发生畸变，出现前、后沿变坏或信号电平波形上叠加脉动干扰波等现象。
用施密特触发器，选择适当的回差电压ΔUT，即可对输入信号整形后输出。
如图（b）所示，就是将干扰后的不规则波形，经整形后变成规则波形。
幅值鉴别：
施密特触发器能在一系列幅值各异的脉冲信号中鉴别出幅值大于UT+的脉冲，并产生对应的输出信号。
如图（c）所示，输入信号经鉴幅后，仅幅值大于UT+的脉冲会产生相应输出信号。
3.3555定时器接成的多谐振荡器
多谐振荡器又称矩形波发生器，它有两个暂稳态，电路一旦起振，两个暂稳态就交替变化，输出矩形脉冲信号。
从图（a）可知，电路由5G555外加两个电阻和一个电容组成。
5G555的D端（即放电三极管VT的集电极）经R1接至电源UCC，构成一个反相器。
电阻R2和电容C构成积分电路。
积分电路的电容电压uC作为电路输入接至输入端TH和TR。
电路的工作原理可归纳为电容C充电、放电的过程。
（2）输出脉冲信号参数的计算
矩形波振荡周期TW的近似计算公式为
TW≈tH+tL≈0.7（R1+2R2）C
矩形波振荡频率f的近似计算公式为
矩形波的占空比Q的近似计算公式为
3）占空比可调的多谐振荡器
在图（a）所示电路中，一旦选定电阻R1和R2，输出信号的占空比Q便固定下来。
如果对原电路稍加改进。
该电路在原有基础上增加一个可调电阻RW，并利用二极管的单向导电性，用D1、D2两个二极管将充电回路和放电回路隔离开，便构成了占空比可调的多谐振荡器。
调节电阻RW的阻值就可改变输出矩形波的占空比Q。
图7.34中，RW分成可变的两部分，靠近R1一侧的部分和R1一起构成RA，靠近R2一侧的部分和R2一起构成RB。
电源UCC通过RA、D1向电容C充电；电容C通过D2、RB及5G555内部的放电三极管T放电。
充、放电回路的时间常数决定输出信号高、低电平的持续时间，它们分别为
tH≈0.7RAC
tL≈0.7RBC
占空比Q为
调节可变电阻RW，便可改变RA和RB的阻值，进而改变输出矩形波的占空比。
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