555定时电路内部结构分析及应用
1 绪言
555定时器是电子工程领域中广泛使用的一种中规模集成电路，它将模拟与逻辑功能巧妙地组合在一起，具有结构简单、使用电压范围宽、工作速度快、定时精度高、驱动能力强等优点。555定时器配以外部元件，可以构成多种实际应用电路。广泛应用于产生多种波形的脉冲振荡器、检测电路、自动控制电路、家用电器以及通信产品等电子设备中。
2 555定时器功能及结构分析
2.1 555定时器的分类及管脚作用
555定时器又称时基电路。555定时器按照内部元件分有双极型（又称TTL型）和单极型两种。双极型内部采用的是晶体管；单极型内部采用的则是场效应管，常见的555时基集成电路为塑料双列直插式封装（见图2-1），正面印有555字样，左
下角为脚①，管脚号按逆时针方向排列。
2-1 555时基集成电路各管脚排布
555时基集成电路各管脚的作用：脚①是公共地端为负极；脚②为低触发端TR，低于1／3电源电压以下时即导通；脚③是输出端V，电流可达2000mA;脚④是强制复位端MR，不用可与电源正极相连或悬空;脚⑤是用来调节比较器的基准电压，简称控制端VC，不用时可悬空，或通过0.01μF电容器接地;脚⑥为高触发端TH，也称阈值端，高于2/3电源电压发上时即截止;脚⑦是放电端DIS;脚⑧是电源正极VC。
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2.2 555定时器的电路组成
图2-2为555芯片的内部等效电路
841110A56212U41k CCOMPARATOR_VIRTUALU21k COMPARATOR_VIRTUALR4U8AQ1374LS10DA52VT1U31k 36DR61001U9A74LS00DB9SQ37BJT_NPN_VIRTUAL8712-2 555定时器电路组成
5G555定时器内部电路如图所示， 一般由分压器、比较器、触发器和开关。及输出等四部分组成，这里我们主要介绍RS触发器和电压比较器。 2.2.1基本RS触发器原理
如图2-3是由两个“与非”门构成的基本R-S触发器, RD、SD是两个输入端，Q及是两个输出端。
Q21QU1A74LS00DU2A74LS00D34RD2-3 RS触发器
SD
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正常工作时，触发器的Q和应保持相反，因而触发器具有两个稳定状态： 1）Q=1，=0。通常将Q端作为触发器的状态。若Q端处于高电平，就说触发器是1状态；
2）Q=0，=1。Q端处于低电平，就说触发器是0状态；Q端称为触发器的原端或1端，端称为触发器的非端或0端。
由图可看出，如果Q端的初始状态设为1，RD、SD端都作用于高电平（逻辑1），则一定为0。如果RD、SD状态不变，则Q及的状态也不会改变。这是一个稳定状态；同理，若触发器的初始状态Q为0而为1，在RD、SD为1的情况下这种状态也不会改变。这又是一个稳定状态。可见，它具有两个稳定状态。 输入与输出之间的逻辑关系可以用真值表来描述。 首先对该RS触发器Q端状态仿真。如图2-4
XLC1A BQ21Q34U1A74LS00DU2A74LS00DRDSD 2-4 RS触发器Q端仿真电路图
Q端状态变化规律如图2-5
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2-5 Q端状态变化规律仿真
此图中A即SD，B即RD.，再对该R—S触发器Q非端状态仿真，如图2-6
XLC1A B2Q1Q34U1A74LS00DU2A74LS00DRDSD 2-6 RS触发器Q非端仿真图
Q非端状态变化规律如图2-7
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2-7 Q非端状态变化规律
此图中A即SD，B即RD.
R-S触发器的逻辑功能，可以用输入、输出之间的逻辑关系构成一个真值表(或叫功能表)来描述，由仿真可得以下结论。当RD =0，SD=1时，不论触发器的初始状态如何，一定为1,由于“与非”门的输入全是1，Q端应为0。称触发器为0状态，RD为置0端。当RD =1，SD=0时，不论触发器的初始状态如何，Q一定为1,从而使为0。称触发器为1状态，SD置1端。当RD =1，SD =1时，如前所述，Q及的状态保持原状态不变。当RD =0，SD =0时，不论触发器的初始状态如何，Q= =1，若RD、SD同时由0变成1，在两个门的性能完全一致的情况下, Q及究竟哪一个为1，哪一个为0是不定的，在应用时不允许RD和SD同时为0。综合以上四种情况，可建立R-S触发器的真值表如表4—1。应注意的是表中RD = SD =0的一行中Q及的状态是指RD、SD同时变为1后所处的状态是不定的，用Ф表示。
由于RD =0，SD =1时Q为0，RD端称为置0端或复位端。相仿的原因，SD称置1端或置位端。
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1 1 不变 RD 0 1 0 SD 1 0 0 Q 0 1 1 0 不定（Ф） 表4-1 真值表 2.2.2简单电压比较器
电压比较器简称比较器，它用来比较两个电压的大小，比较的结果通常由输出的高电贫乏UHO或低电平UOL来表示。简单电压比较器的基本电路如图2-8所示
4R11.0kR21.0k31U15U02COMPARATOR_VIRTUALUref12 V 00Ui12 V
2-8 简单电压比较器
它的反相输入端和同相输入端分别接输入信号Ui和参考电压Uref，该电路属于反相输入电压比较器，显然电路中的运放工作在开环状态。
由于开环电压增益高，受电源电压的限制，这时，只要输入信号ui稍小于参考电压Uref，输出即为高电平u0=UOH(U0,MAX),输出级处于正饱和状态；反之，只要ui稍大于Uref，输出即为低电平u0=UOL(-U0,MAX),输出级处于负饱
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和状态；只有uI在非常接近Uref的极小范围内，运放才处于线性放大状态，此时，才有u0=A0d(Uref-uI). 通常把比较器的输出电压从一个电平变化到另一个电平时对应的临界输入电压称为阀值电压或门限电压，简称为阀值，用符号UTH表示，对这里所讨论的简单比较器有UTH=Uref。
我们知道了555定时电路的结构就可以在此基础之上制作出不同功能的电路，这里我们主要讨论平时常见的几种基于555芯片的功能电路如多谐振荡器，施密特触发器等。
3 多谐振荡器
3.1电路组成及工作原理
下面图3-1时基于555的多谐振荡器连接图
8R112VVs4VDDA515R2668R36XSC1G1k CCOMPARATOR_VIRTUAL1k 13R15U8AQABT74LS10DA211R42R5VT1COMPARATOR_VIRTUALU9A74LS00DB510nF10nF1k 012DR61003C20C1BJT_NPN_VIRTUAL1SQ371 3-1 基于555芯片的多谐振荡器
多谐振荡器是一种自激振荡电路。因为没有稳定的工作状态，多谐振荡器也称为无稳态电路。 其工作原理时这样的：在刚接同电源时，由于电容C1两端的电压不能突变，使集成电路A的2脚电压为0V，这一低电压加到电压比较器D的同相输入端，使电压比较器D输出低电平，该低电平加到与非门B的一个输入端，这样，输出端Q输出高电平，即多谐振荡器输出电压U0为高电平，通电之后，直流电压+V通过电阻R1和R2对电容C1充电，由于电容C1的充电要有一个过程，在C1两端的电压没有充到一定程度时，电路保持输出电压U0为高电平状态，这是一个暂稳态。随着对电容C1充电的进行，（C1上的充电电压极性为上正下负），当C1上的电压达到一定程度时，集成电路A的6脚电压为高电平，该高电平加到内电路中的电压比较器C的反相输入端，使比器C输出低电平，该低电平加到与非门A
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的一个输入端，使RS触发器翻转，即为Q端输出低电平，即U0为低电平，Q非为高电平，从图中所示波形中可看出，此时U0已从高电平翻转到低电平。Q非为高电平后，该高电平经过电阻RS加到VT1基极，使VT1饱和导通，由于VT1导通后集电极和发射极之间的内阻减小，这样电容C1上充到的上正下负电压开始放电，其放电回路是：C1的上端——R2——集成电路A的7脚——VT1集电极——VT1发射极——地端——C1的下端，在这放电的过程中，多谐振荡器保持U0为低电平状态，随着C1的放电，C1上的电压在下降，当C1上的电压下降到一定程度时，使集成电路的2脚电平很低，即电压较器D的同相输入端电压很低，使比较器D输出低电压，该低电压加到与非门B的一个输入端，使RS触发器再次翻转，翻转到Q为高电平的暂稳态，即U0为高电平，由于Q为高电平，Q非为低电平，使VT1管的基极电压很小，VT1截止，电容C1停止放电，改变为+V通过电阻R1和R2对电容C1充电，这样电路进入第2个周期，如此反复达到振荡器的作用。
由仿真得该电路输出波形，如图3-2所示
3-2 多谐振荡器输出波形仿真
多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此它又称作无稳态电路，常用来做脉冲信号源。 -------------
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3.2多谐振荡器应用实例 3.2.1 简易温控报警器
下图3-4是利用多谐振荡器构成的简易温控报警电路，利用555构成可控音频振荡电路，用扬声器发声报警，可用于火警或热水温度报警，电路简单、调试方便。
图中晶体管T可选用锗管3AX31、3AX81或3AG类，也可选用3DU型光敏管。3AX31等锗管在常温下，集电极和发射极之间的穿透电流ICEO一般在10～50μΑ，且随温度升高而增大较快。当温度低于设定温度值时，晶体管T的穿透电流ICEO较小，555复位端RD（4脚）的电压较低，电路工作在复位状态，多谐振荡器停振，扬声器不发声。当温度升高到设定温度值时，晶体管T的穿透电流ICEO较大，555复位端RD的电压升高到解除复位状态之电位，多谐振荡器开始振荡，扬声器发出报警声。
12VVCC1R120k VCC835T3AX31RSTOUTvo63C24DISBJT_PNP_VIRTUAL10uF 7R2100k 4VI1THR76TRIVI22555_VIRTUALCON2TimerGNDR32K_LIN50%Key = A 50.01uF C0.01uF Cf10 3-4 多谐振荡器用作简易温控报警电路
需要指出的是，不同的晶体管，其ICEO值相差较大，故需改变R1的阻值来调节控温点。方法是先把测温元件T置于要求报警的温度下，调节R1使电路刚发出报警声。报警的音调取决于多谐振荡器的振荡频率，由元件R2、R3和C1决定，改变这些元件值，可改变音调，但要求R2大于1kΩ。
3.2.2 双音门铃
下图3-5是用多谐振荡器构成的电子双音门铃电路。
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当按钮开关AN按下时，开关闭合，VCC经D2向C3充电，P点（4脚）电位迅速充至VCC，复位解除；由于D1将R3旁路，VCC经D1、R1、R2向C充电，充电时间常数为（R1+R2）C，放电时间常数为R2 C，多谐振荡器产生高频振荡，喇叭发出高音。
当按钮开关AN松开时，开关断开，由于电容C3储存的电荷经R4放电要维持一段时间，在P点电位降至复位电平之前，电路将继续维持振荡；但此时VCC经R3、R1、R2向C充电，充电时间常数增加为（R3+R1+R2）C，放电时间常数仍为R2 C，多谐振荡器产生低频振荡，喇叭发出低音。
当电容C3持续放电，使P点电位降至555的复位电平以下时，多谐振荡器停止振荡，喇叭停止发声。
调节相关参数，可以改变高、低音发声频率以及低音维持时间。
6VVCC1ANR33.9k 10Key = SpaceD1DIODE_VIRTUAL5R120k 38VCCRSTOUTD2DIODE_VIRTUALvo63C27114DISP47uF R2100k VI1THR76TRIVI2555_VIRTUAL2CON2TimerGND4U147uF R44.7k 50.01uF Cf0.01uF Cf10
3-5 用多谐振荡器构成的双音门铃电路
4施密特触发器
施密特触发器——具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。
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4.1 电路组成及工作原理
XSC1XFG2U110k 0435112VVsGTAB8VCC47625RSTDISTHRTRICONGNDOUT36555_VIRTUALTimer10nF Cf10 4-1 555定时器构成的施密特触发器
其实，555内部电路就可以等效成一个施密特触发器，要清除其工作原理，我们必须再次研究其内部电路，如图4-2
8VDD12VVsU41k ui62a89CCOMPARATOR_VIRTUALU21k COMPARATOR_VIRTUALR4U8AQ74LS10DA5bU31k 3uo1U9A74LS00DB7DSQ301
4-2 施密特触发器主电路
上图中，a点电压为8V即2/3VS，b点电压为4V即1/3VS,当输入电压UI小于b点电压时，C输出高电平，D输出低电平，输出端3脚输出为高电平，并保持不变，当输入电压UI继续上升满足4V 电平，所以，B输出仍为高电平不变，但是当UI大于8V时，C输出翻转为低电平，A翻转为高电平，此时B翻转为低电平，接着UI再下降，同理，如此反复。由以上分析我们可以得到一下结论可用一电压传输特性图表示如图4-3 uovohvol01/3vs2/3vsvsui 4-3 电压传输特性图 主要静态参数 （1） 上限阈值电压VT+-------UI上升过程中，输出电压UO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。VT+=2/3VS。 （2）下限阈值电压VT-------------—UI下降过程中， UO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。VT—=1/3VS. （3）回差电压ΔVT 回差电压又叫滞回电压，定义为 ΔVT= VT+－VT— =1/3VS 若在电压控制端（5脚）外加电压VCC，则将有VT+=VCC、VT—=VCC/2、ΔVT= VCC/2，而且当改变VCC时，它们的值也随之改变。 再来看它的输入和输出波形，我们就能更加了解该电路的功能如图4-4 ------------- ------------- 4-4 输入和输出波形 图中蓝线代表输出信号UO，红线代表输入信号UI 4.2． 施密特触发器的应用举例 4.2.1 用作接口电路 将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形。 4.2.2用作整形电路 把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。 VT+VT-MOSCMOS1输入正弦波振荡器1输出 4-5 慢输入波形的TTL系统接口 4-6 脉冲整形电路的输入输出波形 4.2.3 用于脉冲鉴幅 将幅值大于VT+的脉冲选出。 ------------- ------------- VIVI1VOVT+VT-0tVO0t 4-7 用施密特触发器鉴别脉冲幅度 5 单稳态触发器 单稳态触发器具有下列特点：第一，它有一个稳定状态和一个暂稳状态；第二，在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；第三，暂稳状态维持一段时间后，将自动返回到稳定状态。暂稳态时间的长短，与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。 单稳态触发器在数字系统和装置中，一般用于定时（产生一定宽度的脉冲）、整形（把不规则的波形转换成等宽、等幅的脉冲）以及延时（将输入信号延迟一定的时间之后输出）等。 5.1 电路组成及工作原理 12VVCCXSC1GTR10k 18VCCABvi3VCC1000uF 4VI1746VI22550.01uF Cf0RSTDISTHRTRICONGNDOUT3vo6555_VIRTUALTimer1 5-1 单稳态触发器连接图 无触发信号输入时电路工作在稳定状态,当电路无触发信号时，vI保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端vO保持低电平，555内放电三极管T饱和导通，管脚7“接地”，电容电压vC为0V。当vI下降沿到达时，555触发输入端（2脚） ------------- ------------- 由高电平跳变为低电平，电路被触发，vO由低电平跳变为高电平，电路由稳态转入暂稳态。在暂稳态期间，555内放电三极管T截止，VCC经R向C充电。其充电回路为VCC→R→C→地，时间常数τ1=RC，电容电压vC由0V开始增大，在电容电压vC上升到阈值电压Vcc之前，电路将保持暂稳态不变。当vC上升至阈值电压Vcc时，输出电压vO由高电平跳变为低电平，555内放电三极管T由截止转为饱和导通，管脚7“接地”，电容C经放电三极管对地迅速放电，电压vC由Vcc迅速降至0V（放电三极管的饱和压降），电路由暂稳态重新转入稳态。当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的三极管 T放电，时间常数τ2=RCESC，式中RCES是T的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此τ5）τ 2后，电容 232323经过（3～2之值亦非常小。 C放电完毕，恢复过程结束。 恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可以接收新的触发信号。 下面我们来看当VI为一步规则脉冲时，VC和VO的波形，通过他们的波形我们会更加了解它的作用。 ------------- ------------- vi0tvc2/3vcc0tvotw0t0t1t 5-2 用555定时器构成的单稳态触发器及工作波形 单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节tW。 需要指出的是，在图所示电路中，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。 5.2 单稳态触发器的应用 5.2.1 延时与定时 ------------- ------------- （1）延时 在图5-3中，v/O的下降沿比vI的下降沿滞后了时间tW，即延迟了时间tW。单稳态触发器的这种延时作用常被应用于时序控制中。 （2）定时 在图5-3中，单稳态触发器的输出电压v/O，用做与门的输入定时控制信号，当v/O为高电平时，与门打开，vO= vF，当v/O为低电平时，与门关闭，vO为低电平。显然与门打开的时间是恒定不变的，就是单稳态触发器输出脉冲v/O的宽度tW。 1vIvOvF&vO单稳与门vIvOvFvO tW 5-3 单稳态触发器用于脉冲的延时与定时选通 5.2.2整形 单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲vO。vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于暂稳态时间。5-4是单稳态触发器用于波形的整形的一个简单例子。 ------------- ------------- vIvOtW 5-4 单稳态触发器用于波形的整形 5.2.3 触摸定时控制开关 图5-5是利用555定时器构成的单稳态触发器，只要用手触摸一下金属片P，由于人体感应电压相当于在触发输入端（管脚2）加入一个负脉冲，555输出端（管脚3）输出高电平，灯泡（RL）发光，当暂稳态时间（tW）结束时，555输出端恢复低电平，灯泡熄灭。该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由RC参数调节。 12VVCCR100k 18VCCRSTDISTHRTRICONOUT33voRLviVC2C1000uF 4VI1746VI25250.01uF Cf555_VIRTUALTimerGND5 V 10 5-5触摸式定时控制开关电路 ------------- ------------- 结论 多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由555定时器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本RS触发器在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。RS触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以又称为无稳电路。在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。石英晶体多谐振荡器，利用石英晶体的选频特性，只有频率为fo的信号才能满足自激条件，产生自激振荡，其主要特点是fo的稳定性极好。 施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。施密特触发器可以由分立元件构成，也可以由门电路及555定时器构成。施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。 单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成的单稳态触发器和基本RS触发器在结构上也极为相似，只有用于反馈的耦合网络不同。单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由555定时器构成。在单稳态触发器中，由一个暂稳态过渡到稳态，其“触发”信号也是由电路内部电容充（放）电提供的，暂稳态的持续时间即脉冲宽度也由电路的阻容元件决定。单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途很广。 555定时器是一种用途很广的集成电路，除了能组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器以外，还可以接成各种灵活多变的应用电路。 除了555定时器外，目前还有556（双定时器）和558（四定时器）等。 致谢 感谢辅导老师给予的大力支持，论文中可能有错误或不全面之处，请老师批评指导 参考文献 ------------- ------------- 1 康华光. 电子技术基础. 第4版. 北京：高等教育出版社，1999 2 郑应光. 模拟电子线路. 南京. 东南大学出版社，2000 3 电子工程手册编委会. 标准集成电路数据手册——运算放大器. 北京：电子工业出版社，1994 4 电子工程手册编委会. 标准集成电路数据手册——稳压器电路. 北京：电子工业出版社，1994 5 陈松. 逻辑电路. 南京： 东南大学出版社，2002.8 6 吴立新 实用电子技术. 北京：电子机械出版社，2002.8 7 胡晓光. 数字电子技术基础. 北京航空航天大学出版社. 2007.3 8 丁宁. 电子信息专业英语. 北京：机械工业出版社. 2005.2 ------------- 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容