555电路的应用和工作方式

555电路的应用和工作方式一、实验原理和电路1．器件特性555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，CMOS型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为4．5～12V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。其主要参数见表8.1。555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图8.1和图8.2所示。图8.1(a)双极性型5G555的主要性能参数参数名称符号单位参数电源电压VCCV5~16电源电流ICCmA10阈值电压VTHV32VCC触发电压VTRV31VCC输出低电平VOLV1输出高电平VOHV13.3最大输出电流IOMAXmA≤200最高振荡频率fMAXKHz≤300时间误差△tnS≤5①VTH即Vi1,VTR即Vi2。(b)CMOS型7555的主要性能参数参数名称符号单位参数电源电压VCCV3~18电源电流ICCμA60阈值电压VTHV32VDD触发电压VTRV31VDD输出低电平VV0.1输出高电平VV14.8最大输出电流IOMAXmA≤200最高振荡频率fMAXKHz≥500时间误差△tnS引脚功能：Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。Vi2（TR）：低电平触发端，简称低触发端，标志为TR。VCO：控制电压端。VO：输出端。Dis：放电端。Rd：复位端。555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生31VCC和32VCC两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。Rd是复位端，低电平有效。复位后,基本RS触发器的Q端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。分析图8.1的电路：在555定时器的VCC端和地之间加上电压，并让VCO悬空，则比较器C1的同相输入端接参考电压32VCC，比较器C2反相输入端接参考电压31VCC，为了学习方便，我们规定：当TH端的电压32VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压32VCC时，写为VTH=0。当TR端的电压31VCC时，写为VTR=1，当TR端的电压31VCC时，写为VTR=0。①低触发：当输入电压Vi231VCC且Vi132VCC时，VTR=0，VTH=0，比较器C2输出为低电平，C1输出为高电平，基本RS触发器的输入端S=0、R=1，使Q＝1，Q＝0，经输出反相缓冲器后，VO＝1，T截止。这时称555定时器“低触发”；②保持：若Vi231VCC且Vi132VCC，则VTR=1，VTH=0，S=R=1，基本RS触发器TH6TR2Dis7VCC8Rd4Q3GND1Vco555512345678GNDTRVoRdVcoTHDisVCC555..(a)555的逻辑符号(b)555的引脚排列图8.2555定时器逻辑符号和引脚图8.1555定时器内部结构R5KR5KR5KC1C2G1G2G3RdVi1(TH)Vi2(TR)VCCTVcoR1VoVo'DisQQSR..保持，VO和T状态不变，这时称555定时器“保持”。③高触发：若Vi132VCC，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器因R=0，使Q＝1，经输出反相缓冲器后，VO＝0；T导通。这时称555定时器“高触发”。555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即VTH、VTR的“0”、“1”）必须牢牢掌握。VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。正常工作时，要在VCO和地之间接0．01μF（电容量标记为103）电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。555定时器的控制功能说明见表8.2。根据555定时器的控制功能，可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路，例如,史密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。2．史密特触发器由555定时器组成的史密特触发器见图8.4（虚线框中电位器RW用来调节阈值）；在数字电路中用于脉冲信号的整形。当输入Vi是不规则信号时，经史密特触发器处理后，输出为规则的方波；将史密特触发器用于数据通讯电路中，具有一定的抗干扰能力。在图8.4（a）电路中，若Vi端（即555的2、6脚）输入三角波（或正弦波）及其它不规则的波形，则在输出端VO（3脚）输出幅值恒定的方波。史密特触发器是一种具有双阈值（VT＋、VT—）的比较器电路，（如果在VCO端接入RW，则可调节阈值）。工作原理：在不接入RW时，VT＋=CC32V，VT—=CC31V。因为Vi端与TH和TR端连接，所以：Vi=VTH=VTR。由表8.2分析可知：①ViVT—时，VTH=0,VTR=0，555定时器“低触发”，VO为高电平。②VT—ViVT＋时，VTH=0，VTR=1，555定时器“保持”，VO保持。③ViVT＋时，VTH=1，VTR=1，555定时器“高触发”，VO为低电平。表8.2555定时器控制功能表输入输出THTRdRVODis×32VCC32VCC32VCC×31VCC31VCC×LHHHLH不变L导通截止不变导通3．单稳态触发器图8.6所示为单稳态触发器的电路和波形图。单稳态触发器在数字电路中常用于规整信号的脉冲宽度（TW）：将脉宽不一致的信号输入单稳态触发器后，可输出脉宽一致的脉冲信号。另外，单稳态触发器也常用于定时器电路中，调整RC的值可以得到不同的定时值。单稳态触发器采用电阻、电容组成RC定时电路，用于调节输出信号的脉冲宽度TW。在图8.6（a）的电路中，Vi接555定时器的TR端，其工作原理如下：①稳态（触发前）：Vi为高电平时，VTR=1，输出VO为低电平，放电管T导通，定时电容器C上的电压（6、7脚电压）VC=VTH=0，555定时器工作在“保持”态。②触发：在Vi端输入低电平信号，555定时器的TR端为低电平，电路被“低触发”，Q端输出高电平信号，同时，放电管T截止，定时电容器C经（R+RW）充电，VC逐渐升高。电路进入暂稳态。在暂稳态中，如果Vi恢复为高电平（VTR=1），但VC充电尚未达到32VCC时（VTH=0），555定时器工作在保持状态，VO为高电平，T截止，电容器继续充电。③恢复稳态：经过一定时间后，电容器充电至VC略大于32VCC，因VTH32VCC使555定时器“高触发”，VO跳转为低电平，放电管T导通，电容器经T放电，VC迅速降为0V，这时，VTR=1，VTH=0，555定时器恢复“保持”态。④高电平脉冲的脉宽TW：当VO输出高电平时，放电管T截止，电容器开始充电，在电容器上的电压32VCC这段时间，VO一直是高电平。因此，脉冲宽度即是由电容器C开始充电至VC=32VCC的这段暂稳态时间。脉冲宽度计算公式：Tw≈1.1(R+RW)C。⑤图8.5为产生窄负脉冲用的“微分电路”，原理后附。C103R10KVi方波输入Vo尖脉冲+5V..图8.5微分电路图8.6单稳态触发器电路与波形图TH6TR2DIS7VCC8R4Q3GND1VC5555VCCVcVcViVoViVoTwV1V2ttt(b)波形图(a)单稳态触发器电路..R3KRW100KC1103C21034．自激多谐振荡器图8.7所示为自激多谐振荡器电路和波形图。自激多谐振荡器用于产生连续的脉冲信号。电路采用电阻、电容组成RC定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。调节RW或电容C，可得到不同的时间常数；还可产生周期和脉宽可变的方波输出。脉冲宽度计算公式：Tw≈0.7(R1+RW+R2)C振荡周期计算公式：T≈0.7(R1+RW+2R2)C分析方法与单稳态电路相似，但电容器C的充电电阻是R1+RW+R2，放电电阻是R2。当VC是低电平时，555定时器低触发，VO为高电平，放电管T截止，电容器经（R1+RW+R2）充电，当充电至VC=VTH32VCC时，电路高触发，输出VO变为低电平，放电管T导通，电容器经R2放电，当放电至VC=VTR31VCC时，电路又进入低触发，VO变为高电平，如此周而复始，循环不止，输出连续脉冲信号。四、实验内容及步骤将555定时器插入实验箱中（注意器件方向），电源电压VCC=＋5V。然后按以下步骤进行。1．史密特触发器①对照图8.4（a）接线。其中555定时器的2和6脚接在一起为Vi，3脚VO接状态灯，用来监视VO状态。②用实验箱中的100K电位器按图8.3接线，组成一个直流信号源，与单稳态触发器的Vi端连接，VCC接＋5V。用数字万用表监测Vi的电压。③检查接线无误后，接通电源，旋转电位器改变直流输入信号Vi的电压值，观察状态灯的亮、灭情况，在状态灯亮、灭的临界点十分缓慢地旋转电位器，仔细、反复进行几次，找出使状态灯亮、灭对应的Vi电压准确值，判断VTH1、VTH2。记录结果。图8.7自激多谐振荡器电路和波形图TH6TR2DIS7VCC8R4Q3GND1VC5VCC.VoC3103R13KRW100KR210KC1103(a)自激多谐振荡器电路.(b)振荡波形VottVoTwTV1V2V3555C210uF2．单稳态触发器按图8.6（a）接线，组成单稳态触发器。由于该电路Vi端输入信号的脉宽必须小于输出脉冲VO的脉宽（即需要窄脉冲触发）才能定时准确，因此当使用方波信号作为输入信号时，必须经“微分电路”变为窄脉冲。按图8.5接线，组成微分电路。将实验箱的“单次正脉冲信号”经微分电路接Vi，输出VO接状态灯。①调节Rw为最大值100KΩ输入单次脉冲一次，观察状态灯亮的时间。调节RW，再进行输入Vi的操作，观察状态灯亮时间。实验者更换定时电容C为10μF，再进行上述操作，观察输出Vo的延时情况。②调节连续脉冲发生器（PulesInput）产生500Hz方波信号，并经微分电路接单稳态触发器的Vi端。用示波器Y1观测Vi，Y2分别观测Vo和VC，记录波形。3．多谐振荡器按对照图8.5（a）接线，输出端VO接状态灯和示波器，并把10μF电容C接入电路中。①接线完毕，检查无误后，接通电源，555定时器工作。这时可看到状态灯间歇闪亮。调节RW的值，记录现象。③改变电容C的数值为0.01μF（即103pF），再调节RW，用示波器观察输出波形的变化，记录RW=0和RW=100K时的VC、VO波形、脉宽及频率。五、预习要求1．复习555定时器的结构和工作原理，写出低触发、保持和高触发的输入条件。2．计算实验电路中555单稳态触发器和多谐振荡器的RC值与脉冲波形的关系理论值（设C=0.01μF，RW=0和RW=100K两种情况）。3．掌握555定时器的管脚排列。六、实验报告要求1．整理实验线路，画出各种实验波形。2．分析理论计算值和实际测得值的误差为多少，附：微分电路工作原理：图8.5所示RC网络在电子电路中有两种作用：“耦合”与“微分”。该电路的时间常数为:τ=RC（秒）。当输入信号的脉宽（TW）远小于τ时，RC电路起耦合作用，VO波形与Vi相差不大，见附图1（a）；但当输入信号脉宽较宽时，由于平顶降落（δ）较大，使输出信号脉宽变窄，RC电路对输出信号起微分作用，VO变为尖脉冲，见附图1（b）。平顶段的计算公式：RCWTioeUtu；式中TW为脉冲宽度。由式中可以看出，当VitVotVitVot..(a)窄脉冲输入、输出波形(b)宽脉冲输入、输出波形附图1RC电路的耦合和微分作用TWRC时，0RCTW，RCTWe→1,uo(t)≈Ui；而TW越大，则RCWTe越小，uo(t)越小。本次实验中，当R=10K，C=0.0