14--555定时器及其应用

电工与电子技术基础第14章555定时器及其应用本章要点本章在讨论555定时器的结构、工作原理的基础上，重点介绍555构成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的电路形式及实际工程应用示例。电工与电子技术基础555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路，只要外接少量的电阻、电容元件，可以很方便地构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器。因而在信号的产生与变换、自动检测及控制、定时与报警等方面得到了广泛的应用。你知道吗？555有单极性和双极性之分，双极性的电源电压范围为5~15V，输出电流可达200mA；单极性的电源电压为2~18V，但输出电流仅为1mA。555定时器的型号有多种，典型的有NE555、LM555、CB555、5G555等。它们的内部结构和引脚排列序号都相同，因此在使用时可以相互替换。电工与电子技术基础14.1555定时器的结构及工作原理14.1.1555定时器的内部结构++-++-&&1COTH5k5k5k85621734DISTRC1u2CuDRQOu55578462153COTHDISTR(a)内部电路结构图(b)图形符号图14-1CB555电路CCUR1UR2U&1C2C1G2G3G4GVTDROuCCUQ电工与电子技术基础8脚－Ucc：电源端，可在5～18V范围内使用。1脚－GND:接地端2脚－TR:低电平触发端15326784CB555DISTHTRGNDCOouRDUcc3脚－u0：输出端，输出电流可达200mA，直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等，输出电压约低于电源电压1~3V。4脚－RD：复位端，若此端输入一负脉冲，而使触发器直接复位。不用时加以高电平。5脚－CO：电压控制端，此端可外加一电压以改变比较器的参考电压，不用是可悬空或通过0.01μF的电容接地6脚－TH：高电平触发端7脚－DIS：放电端，当触发器的Q＝0时，VT导通，外接电容C通过此管放电。14.1.2555定时器的引脚和工作原理电工与电子技术基础555的功能表如表14-1所示。输入输出RD)(ouV01111××0导通CCU32CCU310导通CCU32CCU311截止CCU32CCU32CCU31不变不变高截止表14-1555的功能表THTRQCCU31电工与电子技术基础14.2用555构成施密特触发器(SchmittTrigger)1)具有两个稳定状态——0态和1态。14.2.1施密特触发器的特点2)电平触发，即输出端是高电平还是低电平取决于输入端的电平。3)具有两个阀值电压——UT+和UT－。当输入信号从小变大时，输出电压在正向阀值电压UT+翻转；当输入信号从大变小时，输出电压在负向阀值电压UT－翻转。电工与电子技术基础凡是输出和输入信号具有如图14-2(a)所示的滞后电压传输特性的电路称为反相施密特触发器。输出状态与上述相反的同相施密特触发器电路，其电压传输特性如图14-2(b)所示。IuOu010(a)反相施密特触发器(b)同相施密特触发器图14-2施密特触发器电压传输特性和图形符号1IuOuIuOuIuOuTUTUTUTU回差电压：T-TT-UUU电工与电子技术基础14.2.2电路组成及工作原理由555组成的反相施密特触发器电路如图14-3所示，只需将6脚和2脚接在一起作输入端，3脚作输出端即可。5脚悬空或接防干扰电容时，正向阀值电压UT＋＝2UCC/3，反向阀值电压UT－＝UCC/3。55578462153图14-3(a)555构成的施密特触发器IuOuCCU输入输出RD)(ouV01111××0导通CCU32CCU310导通CCU32CCU311截止CCU32CCU32CCU31不变不变高截止表14-1555的功能表THTRQCCU31电工与电子技术基础5脚外接电源时，UT＋＝UCO，UT－＝UCO/355578462153(b)工作波形tt(a)555构成的施密特触发器图14-3555构成的施密特触发器和工作波形00IuOuTUTUIuOuCCU电工与电子技术基础1.波形变换和整形利用施密特触发器可以将正弦波、三角波、锯齿波等规则或不规则的波形变换为矩形波，如图14-4（a）为整形波形。IutTUTU00ut0图14-4(a)555构成的施密特触发器的整形波形14.2.3施密特触发器的应用由于施密特触发器具有滞廻特性，和普通的门电路相比，具有较好的抗干扰能力，只要干扰信号幅度小于回差电压，就能很好地将其抑制。除此之外，施密特触发器还可用于：电工与电子技术基础2.幅度鉴别利用施密特触发器可以从一串幅度不等的脉冲中，将幅度较大的脉冲鉴别出来，图14-4（b）为鉴幅波形。IutTUTU00ut0图14-4(b)555构成的施密特触发器的鉴幅波形电工与电子技术基础14.3用555构成单稳态触发器14.3.1单稳态触发器的特点(1)它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；电路在没有外加触发信号期间，处于一种稳定不变的状态，即稳态。(2)在外界触发脉冲的作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳。(3)暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。电工与电子技术基础14.3.2由555构成的单稳态电路及工作原理设初态uc(0)=0,uI=1。1C78462153图14-5(a)555构成的单稳态触发器RCQVTQIuOuCCUCu如果设稳态Q＝1，VT截止，uc被充电，充电到2/3UCC的时候，Q翻转为0。所以其不是稳态。如果设稳态Q＝0，VT导通，uc通过VT放电，很快放电到0，Q保持0态不变。所以Q＝0是稳态。输入输出RD)(ouV01111××0导通CCU32CCU310导通CCU32CCU311截止CCU32CCU32CCU31不变不变高截止表14-1555的功能表THTRQCCU31电工与电子技术基础当uI来了一个负脉冲时，由于uc＝0，故Q马上翻转为1。1C78462153(b)工作波形ttCu(a)555构成的单稳态触发器图14-5555构成的单稳态触发器和工作波形00RCQTQt0CC)32(UIuOuCCUIuOuwtCu因Q＝1，VT截止，uc被充电，充电到2/3UCC的时候（这时uI回到了高电平），Q翻转为0。这为暂态。电工与电子技术基础其脉宽tW可由暂态过程的三要素法得代入参数)()((0))(lnwCCCCwtuuuuRCt注：通常R的取值在几百欧姆到几兆欧之间，电容的取值范围为几百皮法到几百微法，tW的范围为几微妙到几分钟。但tW越大，其精度和稳定度也要下降。RC.RCt113lnw电工与电子技术基础14.3.3单稳的应用单稳态触发器可以用来定时、信号延时、改变脉冲宽度、脉冲整形等。1.脉宽的定时和动作的延时电工与电子技术基础2.脉冲的整形对于一系列幅度和宽度都不规则的脉冲信号，只要这些脉冲的幅度都大于单稳的触发电平，通过单稳后，可以得到幅度和宽度都相同的脉冲，达到整形的目的。电工与电子技术基础例14-1鱼缸水温自动加热电路如图14-8所示，是正温度系数热敏电阻器。用555定时器构成的单稳态触发器，设定加热时间为11s，试分析该电路的工作原理以及给出和的设计值。可以选1MΩ电阻R1和10μF的电容C1。15326784555F01.0K~220V加热器1C1RCCU2R2C1D2D1KTR图14-8例14-1的鱼缸水温自动加热电路图sCRt111.111W电工与电子技术基础14.4用555构成多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形波形。由于矩形波中含有高次谐波故把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。它具有如下特点：1）电路的高、低电平是自动切换的，不需要外界的触发信号。2）这类电路不存在稳定的状态，故又称为无稳态触发器。14.4.1多谐振荡器的特点电工与电子技术基础14.4.1由555构成的多谐振荡器电路组成及工作原理接通电源→uC＝0→Q＝1→T截止→UCC通过R1和R2给C充电→uC↑→uC2UCC/3→Q=0→T导通→C通过V和R2放电→uC↓→uCUCC/3→Q＝1→T截止→UCC通过R1和R2给C充电→循环下去。78462153(b)工作波形tCu(a)555构成的多谐振荡器图14-9555构成的多谐振荡器和工作波形0CQTQtOu0CC31UCC32U1C1ROuCCUwLtCuwHt2R电工与电子技术基础14.4.2振荡频率的计算输出高电平的脉冲宽度为电容由1/3UCC充电到2/3UCC的时间CRRTf)2(69.01121振荡频率为CRR.CRRt)(6902ln)(2121wH输出低电平的脉冲宽度为电容由2/3UCC放电到1/3UCC的时间CR.CRt22wL6902ln振荡周期为CRR.CRRttT)2(6902ln)2(2121wLwH电工与电子技术基础为了改变占空比，可采用下图所示电路15326784CB555F01.0UccR1CR2图14-4-3改进的555定时器构成的多谐振荡器D1D2ou电工与电子技术基础14.4.3应用1.模拟声响电路555784621531Ou0.01uF555784621532Ou0.01uF图14-10模拟声响电路1C11RCCU12R21R22R2C3C电工与电子技术基础2.电压频率转换器Iu55578462153C图14-11555构成的压控振荡器1ROuCCU2R在外加电压控制端5加一个电压，就可改变施密特触发器的阈值电压，从而可改变振荡频率，也叫压控振荡器。