单双稳态资料.docx
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单双稳态资料
单稳态电路只有一个稳定状态,触发翻转后经过一段时间会回到原来的稳定状态,一般作固定脉冲宽度整形。
双稳态电路有两个稳定状态,一个输出端和两个输入端(“+”、“-”端各一个),当输入端的“+”端有触发信号时,输出端不管原来是什么状态,都会立即变为高电平,且一直稳定地输出高电平。
如果当输入端的“-”端有触发信号时,输出端不管原来是什么状态,都会立即变为低电平,且一直稳定地输出低电平。
触发翻转后会一直保持,有记忆效用,一般作存储器或计数器。
555集成电路开始出现时是作定时器应用的,所以叫做555定时器或555时基电路。
但是后来经过开发,它除了作定时延时控制外,还可以用于调光、调温、调压、调速等多种控制以及计量检测等作用;还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路,作为交流信号源以及完成电源变换、频率变换、脉冲调制等用途。
由于它工作可靠、使用方便、价格低廉,因此目前被广泛用于各种小家电中。
555集成电路内部有几十个元器件,有分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等,电路比较复杂,是模拟电路和数字电路的混合体。
它的性能和参数要在非线性模拟集成电路手册中才能查到。
555集成电路是8脚封装,图1(a)是双列直插型封装,按输入输出的排列可画成图1(b)。
其中6脚称阀值端(TH),是上比较器的输入。
2脚称触发端(
),是下比较器的输入。
3脚是输出端(VO),它有0和1两种状态,它的状态是由输入端所加的电平决定的。
7脚的放电端(DIS),它是内部放电管的输出,它也有悬空和接地两种状态,也是由输入端的状态决定的。
4脚是复位端(
),加上低电砰(<0.3伏)时可使输出成低电平。
5脚称控制电压端(VC),可以用它改变上下触发电平值。
8脚是电源,1脚为地端。
对于初学者来说,可以把555电路等效成一个带放电开关的R-S触发器,如图2(a)。
这个特殊的触发器有两个输入端;阈值端(TH)可看成是置零端R,要求高电平;触发端(
)可看成是置位端
,低电平有效。
它只有1个输出端VO,VO可等效成触发器的Q端。
放电端(DIS)可看成由内部的放电开关控制的一个接点,放电开关由触发器的Q端控制:
=1时DIS端接地;
=0时DIS端悬空。
此外这个触发器还有复位端
,控制电压端VC,电源端VDD和地端GND。
这个特殊的R-S触发器有2个特点:
(1)两个输入端的触发电平要求一高一低:
置零端R即阈值端TH要求高电平,而置低端
即触发端
则要求低电平。
(2)两个输入端的触发电平,也就是使它们翻转的阈值电压值也不同,当VC端不接控制电压时,对TH(R)端来讲,》2/3VDD是高电平1,《2/3VDD是低电平0;而对
(
)端来讲,>1/3VDD是高电平1,<1/3VDD是低电平0。
如果在控制端(VC)加上控制电压VC,这时上触发电平就变成VC值,而下触发电平则变成1/2VC。
可见改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。
经过简化,555电路可以等效成一个触发器,它的功能表见图2(b)。
555集成电路有双极型和CMOS型两种。
CMOS型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高,但输出功率较小,输出驱动电流只有几毫安。
双极型的优点是输出功率大,驱动电流达200毫安,其它指标则不如CMOS型的。
此外还有一种556双时基电路,14脚封装,内部包含有两个相同的时基电路单元。
555的应用电路很多,大体上可分为555单稳、555双稳和555无稳三类。
555单稳电路单稳电路有一个稳态和一个暂稳态。
555的单稳电路是利用电容的充放电形成暂稳态的,因此它的输入端都带有定时电阻和定时电容,常见的555单稳电路有两种。
(1)人工启动型单稳
将555电路的6、2端并接起来接在RC定时电路上,在定时电容CT两端接按钮开关SB,就成为人工启动型555单稳电路,见图3(a)。
用等效触发器替代555,并略去与单稳工作无关的部分后画成等效图3(b)。
下面分析它的工作:
①稳态:
接上电源后,电容CT很快充到VDD,从图3(b)看到,触发器输入R=1,
=1,从功能表查到输出Vo=0,这是它的稳态。
②暂稳态:
按下开关SB,CT上电荷很快放到零,相当于触发器输入R=0,
=0,输出立即翻转成Vo=1,暂稳态开始。
开关放开后,电源又向CT充电,经时间td后,CT上电压升到》2/3VDD时,输出又翻转成V=0,暂稳态结束。
td就是单稳电路的定时时间或延时时间,它和定时电阻RT和定时电容CT的值有关;td=1.1RTCT。
(2)脉冲启动型单稳
把555电路的6、7端并接起来接到定时电容CT上,用2端作输入就成为脉冲启动型单稳电路,见图4(a)。
电路的2端平时接高电平,当输入接低电平或输入负脉冲时才启动电路。
用等效触发器替代555电路后可画成图4(b)。
这个电路利用放电端使定时电容能快速放电。
下面分析它的工作状态:
①稳态:
通电后,R=1,
=1,输出Vo=0,DIS端接地,CT上电压为0即R=0,输出仍保持Vo=0,这是它的稳态。
②暂稳态:
输入负脉冲后,输入
=0,输出翻转成Vo=1,DIS端开路,电源通过RT向CT充电,暂稳态开始。
经过td后,CT上电压升到>2/3VDD,这时负脉冲已经消失,输入又成为R=1,
=1,输出又翻转成Vo=0,暂稳态结束。
这时内部放电开关接通,DIS端接地,CT上电荷很快放到零,为下一次定时控制作准备。
电路的定时时间td=1.1RTCT。
这两种单稳电路常用作定时延时控制。
555双稳电路
常见的555双稳电路有两种。
(1)R-S触发器型双稳
把555电路的6、2端作为两个控制输入端,7端不用,就成为一个R-S触发器。
要注意的是两个输入端的电平要求和阈值电压都不同,见图5(a)。
有时可能只有一个控制端,这时另一个控制端要设法接死,根据电路要求可以把R端接到电源端,见图5(b),也可以把S端接地,用R端作输入。
有两个输入端的双稳电路常用作电机调速、电源上下限告警等用途,有一个输入端的双稳电路常作为单端比较器用作各种检测电路。
(2)施密特触发器型双稳
把555电路的6、2端并接起来成为只有一个输入端的触发器,见图6(a)。
这个触发器因为输出电压和输入电压的关系是一个长方形的回线形,见图6(b),所以被称为施密特触发器。
从曲线看到,当输入Vi=0时输出Vo=1。
当输入电压从0上升时,要升到>2/3VDD以后,Vo才翻转成0。
而当输入电压从最高值下降时,要降到《1/3VDD以后,Vo才翻转成1。
所以输出电压和输入电压之间是一个回线形曲线。
由于它的输入有两个不同的阈值电压,所以这种电路被用作电子开关,各种控制电路,波形变换和整形的用途。
555无稳电路
无稳电路有2个暂稳态,它不需要外触发就能自动从一种暂稳态翻转到另一种暂稳态,它的输出是一串矩形脉冲,所以它又称为自激多谐振荡器或脉冲振荡器。
555的无稳电路有多种,这里介绍常用的3种。
(1)直接反馈型555无稳
利用555施密特触发器的回滞特性,在它的输入端接电容C,再在输出V0与输入之间接一个反馈电阻Rf,就能组成直接反馈型多谐振荡器,见图7(a)。
用等效触发器替代555电路后可画成图7(b)。
现在来看看它的振荡工作原理:
刚接通电源时,C上电压为零,输出V0=1。
通电后电源经内部电阻、V0端、Rf向C充电,当C上电压升到>2/3VDD时,触发器翻转V0=0,于是C上电荷通过Rf和V0放电入地。
当C上电压降到<1/3VDD时,触发器又翻转成V0=1。
电源又向C充电,不断重复上述过程。
由于施密特触发器有2个不同的阀值电压,因此C就在这2个阀值电压之间交替地充电和放电,输出得到的是一串连续的矩形脉冲,见图7(c)。
脉冲频率约为f=0.722/RfC。
(2)间接反馈型无稳
另一路多谐振荡器是把反馈电阻接在放电端和电源上,如图8(a),这样做使振荡电路和输出电路分开,可以使负载能力加大,频率更稳定。
这是目前使用最多的555振荡电路。
这个电路在刚通电时,V0=1,DIS端开路,C的充电路径是:
电源→RA→DIS→RB→C,当C上电压上升到>2/3VDD时,V0=1,DIS端接地,C放电,C放电的路径是:
C→RB→DIS→地。
可以看到充电和放电时间常数不等,输出不是方波。
t1=0.693(RA+BB)C、t2=0.693RBC,脉冲频率f=1.443/(RA+2R)C
(3)555方波振荡电路
要想得到方波输出,可以用图9的电路。
它是在图8的电路基础上在RB两端并联一个二极管VD组成的。
当RA=RB时,C的充放电时间常数相等,输出就得到方波。
方波的频率为f=0.722/RAC(RA=RB)
二极管的方法可以得到占空比可调的脉冲振荡电路。
在这个电路的基础上,在RA和RB回路内增加电位器以及采用串联或并联
555脉冲振荡电路常被用作交流信号源,它的振荡频率范围大致在零点几赫到几兆赫之间。
因为电路简单可靠,所以使用极广。
555电路读图要点及举例
555集成电路经多年的开发,实用电路多达几十种,几乎遍及各个技术领域。
但对初学者来讲,常见的电路也不过是上述几种,因此在读图时,只要抓住关键,识别它们是不难的。
从电路结构上分析,三类555电路的区别或者说它们的结构特点主要在输入端。
因此当我们拿到一张555电路图时,在大致了解电路的用途之后,先看一下电路是CMOS型还是双极型,再看复位端(
)和控制电压端(Vc)的接法,如果复位端(
)是接高电平、控制电压端(Vc)是接一个抗干扰电容的
那就可以按以下的次序先从输入端开始进行分析:
(1)6、2端是分开的
①7端悬空不用的一定是双稳电路。
如有两个输入的则是双限比较器;如只有一个输入的则是单端比较器。
这类电路一般都是作电子开关、控制和检测电路的用途。
②7、6端短接并接有电阻电容、取2端作输入的一定是单稳电路。
它的输入可以用开关人工启动,也可以用输入脉冲启动,甚至为了取得较好的启动效果在输入端带有RC微分电路。
这类电路一般用作定时延时控制和检测的用途。
(2)6、2端短接的
①输入没有电容的是施密特触发器电路。
这类电路常用作电子开关、告警、检测和整形的用途。
②输入端有电阻电容而7端悬空的,这时要看电阻电容的接法:
(a)R和C串联接在电源和地之间的是单稳电路,R和C就是它的定时电阻和定时电容。
(b)R在上C在下,R的一端接在V0端上的是直接反馈型无稳电路,这时R和C就是决定振荡频率的元件。
③7端也接在输入端,成“RA-7-RB-6、2—C”的形式的就是最常用的无稳电路。
这时RA和RB及C就是决定振荡频率的元件。
这类电路可以有很多种变型:
如省去RA,把7端接在V0上;或者在RB两端并联二极管VD以获得方波输出,或者用电阻和电位器组成RA和RB,而且在RA和RB两端并联有二极管以获得占空比可调的脉冲波等等。
这类电路是用途最广的,常用于脉冲振荡、音响告警、家电控制、电子玩具、医疗电器以及电源变换等用途。
(3)如果控制电压(Vc)端接有直流电压,则只是改变了上下两个阀值电压的数值,其它分析方法仍和上面的相同。
只要按上述步骤细心分析核对,一定能很快地识别555电路的类别和了解它的工作原理。
下面的问题就比较好办了,例如定时时间、振荡频率等都可以按给出的公式进行估算。
例1相片曝光定时器
图10是用555电路制成的相片曝光定时器。
从图看到,输入端6、2并接在RC串联电路中,所以这是一个单稳电路,R1和RP是定时电阻,C1是定时电容。
电路在通电后,C1上电压被充到6伏,输出V0=0,继电器KA不吸动,常开接点是打开的,曝光灯HL不亮。
这是它的稳态。
按下SB后,C1快速放电到零,输出V0=1,继电器K
A吸动,点亮曝光灯HL,暂稳态开始。
SB放开后电源向C1充电,当C1上电压升到4伏时,暂稳态结束,定时时间到,电路恢复到稳态。
输出翻转成V0=0,继电器KA释放,曝光灯熄灭。
电路定时时间是可调的,大约是1秒~2分钟。
例2光电告警电路
图11是555光电告警电路。
它使用556双时基集成电路,有两个独立的555电路。
前一个接成施密特触发器,后一个是间接反馈型无稳电路。
图中引脚号码是556的引脚号码。
三极管VT导通,VT的集电极电压只有0.3伏,加在555b的复位端(MR),使555b处于复位状态,即无振荡输出。
图中R1是光敏电阻,无光照时阻值为几~几十兆欧,所以555a的输入相当于R=0、S=0,输出V0=1,
当R1受光照后,阻值突然下降到只有几~几十千欧,于是555a的输入电压升到上阀值电压以上,输出翻转成V0=0,VT截止,VT集电极电压升高,555b被解除复位状态而振荡,于是扬声器BL发声告警。
555b的振荡频率大约是1千赫。
如果把整个装置放入公文包内,那么当打开公文包时,这个装置会发声告警而成为防盗告警装置。
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