555定时器.docx

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555定时器

1.概述

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。

下图是一个555定时器应用实例：

晶体管简易测试仪。

UDD

将晶体管接入由555定时器及外接元件构成的振荡器，被测管放大输入的振荡信号,将输出送给扬声器。

根据扬声器的发声，可对被测管性能进行定性的测试。

若扬声器无声，说明管子已损坏；若扬声器声音小，则说明管子的β小；若

扬声器声音大，则说明管子的β大。

本章主要讨论由555定时器组成三种脉冲电路（施密特触发器，单稳触发器和多谐振荡器）的工作原理，及波形参数与电路参数之间的关系。

6．2555定时器

6.2.1555定时器的分类

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。

555定时器按单片电路中包括定时器的个数分有单时基定时器和双时基定时器两种。

常用的单时基定时器有双极型定时器5G555（管脚排列如图6.2所示）和单极型定时器CC7555。

双时基定时器有双

极型定时器5G556和单极型定时器

CC7556。

6.2.2555定时器的电路组成

图6.25G555管脚排列图

5G555定时器内部电路如图6.3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。

1．分压器

分压器由三个等值的电阻串联而成，将电源电压UDD分为三等份，作用是为比较器提供两个参考电压

UR1、UR2，若控制端S悬空或通过

电容接地，则：

UR1

=2U

3DD

UR2

=1U

3DD

若控制端S外加控制电压，则：

UR1=US

2.比较器

UR2

=US

2

比较器是由两个结构相同的集成运放A1、A2构成。

A1用来比较参考电压UR1和高电平触发端电压UTH：

当UTH>UR1，集成运放A1输出Uo1=0；当UTH

A2用来比较参考电压UR2和低电平触发端电压UTR：

当UTR＞UR2，集成运放A2输出Uo2=1;当UTR＜UR2，集成运放A2输出Uo2=0。

3.基本RS触发器

当RS=01时，Q=0，Q=1；当RS=10时，Q=1，Q=0。

4.开关及输出

放电开关由一个晶体三极管组成，称其为放电管，其基极受基本RS触发器输出端Q控制。

当Q=1时，放电管导通，放电端D通过导通的三极管为外电

路提供放电的通路；当Q=0，放电管截止，放电通路被截断。

6.2.3555定时器的功能以单时基双极型国产5G555定时器为例，其功能如表6.1所示。

表6.15G555定时器功能表

UR

UTH

UTR

OUT

放电端D

0

×

×

0

与地导通

1

>2U

3DD

>1U

3DD

0

与地导通

1

<2U

3DD

>1U

3DD

保持原状态不变

保持原状态不变

1

<2U

3DD

<1U

3DD

1

与地断开

6．2．4555定时器的主要参数

5G555（单时基双极型定时器）和CC7555（单时基CMOS型定时器）的主要参数对比如表6.2所示。

表6.2

参数

单位

CMOS型

CC7555

TTL型

5G555

电源电压

V

3～18

4.5～16

静态电源电流

mA

0.12

10

定时精度

%

2

1

高电平触发端电压

V

2U

3DD

2U

3DD

高电平触发端电流

μA

0.00005

0.1

低电平触发端电压

V

2U

3DD

2U

3DD

低电平触发端电流

μA

0.00005

0.5

复位端复位电压

V

1

1

复位端复位电流

μA

0.1

400

放电端放电电流

mA

10～50

200

输出端驱动电流

mA

1～20

200

最高工作频率

KHz

500

500

从表6.2可见：

（1）二者的工作电源电压范围不同。

（2）双极型定时器输入输出电流较大，驱动能力强，可直接驱动负载，适宜于有稳定电源的场合使用。

（3）单极型定时器输入阻抗高，工作电流小，功耗低且精度高，多用于需要节省功耗的领域。

【思考题】

1.555定时器主要由哪几部分组成？

每部分各起什么作用？

2.双极型定时器与CMOS型定时器有什么异同？

6.3555定时器的基本应用电路

6.3.1施密特触发器

施密特触发器是一种脉冲信号变换电路，用来实现整形和鉴波。

1.电路结构

由555定时器构成的施密特触发器如图6.4所示

ui

2

uiuo

3UDD

1UDD

uo

UDD

ot

图6.4施密特触发器图6.5施密特触发器输入信号

2.工作原理

设输入信号ui为正弦波，正弦波幅度大于555定时器的参考电压UR1

=2U

3DD

（控制端S通过滤波电容接地），电路输入输出波形如图6.5所示。

根据555定

时器功能表6.1可知：

（1）

当u处于0＜u＜1U

3DD

上升区间时，OUT=“1”。

（2）当u处于1U

3DD

＜u＜2U

3DD

上升区间时，OUT仍保持原状态“1”不变。

（3）当u处于u≥2U

3DD

区间时，OUT将由“1”状态变为“0”状态，此刻对应

的ui值称为复位电平或上限阈值电压。

（4）当u处于1U

3DD

＜u＜2U

3DD

下降区间时，OUT保持原来状态“0”不变。

（5）当u处于U≤1U

3DD

区间时，OUT又将由“0”状态变为“1”状态，此刻对应

的ui值称为置位电平或下限阈值电压。

从图6.5输入输出波形分析中，可以发现置位电平和复位电平二者是不等的，

二者之间的电压差称为回差电压用ΔUT表示，即ΔUT=UR1－UR2。

➢

若控制端S悬空或通过电容接地,UR1

=2U

3DD

，而UR2

=1U，则

3DD

ΔUT

=UR1

－UR2=

1

3UDD

➢若控制端S外接控制电压U，U

=U而U

=1U则

ΔUT=UR1－UR2=

SR1

1

U

2S

SR22S

uo

图6.6所示为S端悬空或通过电容接地的施密特触发器电压传输特性，同时也反映了回差电压的存在，而这种现象称为电路传输滞后特性。

回差电压越大，施密特触发器的抗干扰性越强，但施密特触发

UDD

o

1UDD

2UDDui

器的灵敏度也会相应降低。

图6.6施密特触发器电压传输特性

3.典型应用

（1）

波形变换。

将任何符合特定条件的输入信号变为对应的矩形波输出信号。

三角波变换为矩形波如图6.7所示。

（2）幅度鉴别。

只有输入信号的幅度大于UR1时，输出端才出现OUT=“0”的状态。

由此可以判断输入信号的幅度是否超过一定的值。

如图6.8所示。

（3）脉冲整形。

脉冲信号在传输过程中如果受到干扰，其波形会产生变形。

可利

用施密特触发器进行整形，将变形的矩形波变成规则的矩形波。

如图6.9所示。

ui

UR1

i

UR2U

R1

U

R2

uo

o

ot

图6.8幅度鉴别

6.3.2单稳态触发器

ot

图6.9脉冲整形

单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形波）、整形

（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。

单稳态触发器具有下列特点：

（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。

（2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。

（3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。

暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。

1.电路结构

单稳态触发器如图6.10（a）所示。

2.

工作原理

＋UDD

ui

UDD

1UDD

uC

2U

3DD

uo

uo

UDD

（a）

o

图6.10单稳态触发器

t

（b）

当单稳态触发器无触发脉冲信号时，输入端Ui=“1”。

接通直流电源UDD瞬

间，电路有一个稳定的过程，即UDD通过R对C充电，当电容上的电压Uc上升

到2U

3DD

时，比较器A1输出为0，将触发器置0。

这时Q=1，放电端D通过导通

的三极管接地，电容C两端电压为零。

电路进入稳态。

当单稳态触发器有触发脉冲信号（即Ui=“0”＜

1

3UDD

时，由于UTR=Ui=“0”

＜1U，并且U=0＜U=2U

，则触发器输出由“0”变为“1”，三极管由

3DDTHR13DD

导通变为截止，放电端D与地断开；直流电源+UDD通过电阻R向电容C充电，

电容两端电压按指数规律从零开始增加（充电时间常数τ=RC）；经过一个脉冲

宽度时间，负脉冲消失，输入端Ui恢复为“1”，即UTR=Ui=“1”＞

1

3UDD

，由于

电容两端电压U＜2U

3DD

，而UTH

=U＜2U

3DD

，所以输出保持原状态“1”不

变，这种状态即是单稳态触发器的暂稳状态。

当电容两端电压U≥2U

时，U=U≥2U

，又有U＞1U，那

C3DD

THC

3DD

TR3DD

么输出就由暂稳状态“1”自动返回稳定状态“0”。

如果继续有触发脉冲输入，就会重复上面的过程，如图6.10（b）所示。

3.暂稳状态时间（输出脉冲宽度）

暂稳状态持续的时间又称输出脉冲宽度，用tW表示。

它由电路中电容两端

的电压来决定，可以用三要素法求得tW≈1.1RC。

tW与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。

当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳定状态以后，tW时间内的其他触发脉冲对触发器就不起作用；只有当触发器处于稳定状态时，输入的触发脉冲才起作用。

4．典型应用

1）定时与延时

单稳态触发器可以构成定时电路；与继电器或驱动放大电路配合，可实现自动控制、定时开关的功能，一个典型定时电路如图6.11所示。

R1

1MΩ

SB

当电路接通+6V电源后，经过一段时间进入稳定状态，定时器输出OUT为低电平，继电器KA（当继电器无电流通过时，常开接点处于断路状态）无通过

电流，故形不成导电回路，灯泡HL不亮。

当按下按钮SB时，低电平触发端TR

（外部信号输入端Ui）由接+6V电源变为接地，相当于输入一个负脉冲，使电

路由稳定状态转入暂稳状态，输出OUT为高电平，继电器KA通过电流，使常开接点闭合，形成导＋U电回路，灯泡HL发亮；暂稳定状态的出现时刻是由按钮

DDSA

SB何时按下决定的，它图的6持.1续150μ时F定间时

也是灯亮时间）则是由电路参数决定，

若改变电路中的电阻RW或C，tW。

典型延时电路如图6.12所示，与

定时电路相比，其电路的主要

R

和电容连D接的KA位置不同。

电路中的继电

器KA为常断继电器，二2极MΩ管D的作用是限0.01幅μF保护。

图6.12延时电路

当开关SA闭合，直流电源接通，555定时器开始工作，若电容初始电压为零，因电容两端电压不能突变，而UDD=UC+UR，所以UTH=UR=UDD－UC=UDD，

OUT=“0”，继电器常开接点保持断开；同时电源开始向电容充电，电容两端电

压不断上升，而电阻两端电压对应下降，当U≥2U

，即U=U=U

≤1U

C3DD

THTR

R3DD

时，OUT=“1”，继电器常开接点闭合；电容充电至UC=UDD时结束，此时电阻两端电压为零，电路输出OUT保持为“1”，从开关SA按下到继电器KA闭合这段时间称为延时时间。

2）分频

当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳状态，在此脉冲以后时间tW内，如果再输入其他触发脉冲，则对触发器的状态不再起作用；只有当触发器处于稳定状态时，输入的触发脉冲才起作用，分频电路正是利用这个特性将高频率信

号变换为低频率信号，电路如图6.13所示。

6.3.3多谐振荡器

图6.13分频电路

多谐振荡器的功能是产生一定频率和一定幅度的矩形波信号。

其输出状态不断在“1”和“0”之间变换，所以它又称为无稳态电路。

1）电路结构

由555定时器构成的多谐振荡器的电路结构如图6.14（a）所示。

UDD

UDD

2U

R13DD

1UDD

R2

CUDD

6

（a）

ot

（b）

2）工作原理

如图6.14（b）所示，假定零时刻电容初始电压为零，零时刻接通电源后，

因电容两端电压不能突变，则有U=U=U

=0＜1U

，OUT=“1”，放电管

THTRC

3DD

截止，直流电源通过电阻R1、R2向电容充电，电容电压开始上升,充电时间常

数τ=（R1＋R2）C；当电容两端电压U≥2U

时，U=U=UC≥2U，那

C3DD

THTR

3DD

么输出就由一种暂稳状态（OUT=“1”而放电管截止）自动返回另一种暂稳状态

（OUT=“0”而放电管导通），由于充电电流从放电端D入地，电容不再充电，

反而通过电阻R2和放电端D向地放电，电容电压开始下降，放电时间常数τ

=R2C；当电容两端电压UC≤1U

时，U=U=UC≤1U

，那么输出就由

3DD

THTR

3DD

OUT=“0”变为OUT=“1”，同时放电管由导通变为截止；电源通过R1、R2重新向C充电，重复上述过程。

3）振荡周期振荡周期T=

t1+t2。

t代表充电时间（电容两端电压从1U

13DD

t1≈0.7（R1+R2）C

t代表放电时间（电容两端电压从2U

23DD

t2≈0.7R2C

上升到2U

3DD

下降到1U

3DD

所需时间）

所需时间）

因而有T=t1+t2≈0.7（R1+2R2）C

对于矩形波，除了用幅度、周期来衡量以外，还存在一个参数占空比q，

q=tP

T

tP——脉宽。

输出波形一个周期内高电平所占时间T——周期

故图6.13（a）所示电路输出矩形波的q=

4）改进电路

tP=

T

t1

t1+t2

=R1+R2R1+2R2

图6.14（a）所示电路只能产生占空比固定的矩形波，而图6.15所示电路

可以产生占空比处于0和1之间可调

的矩形波。

这是因为它的充放电的路R

径不同，并且电路的充放电时间可调

R

（调节RW即可改变充放电时间）。

＋UDD

uo

图6.15占空比可调的多谐振荡器

本章小结

1.555定时器主要由分压其、比较器、基本RS触发器和开关及输出等四部分构成。

基本应用形式有三种：

施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。

2.施密特触发器具有电压滞回特性，某时刻的输出由当时的输入决定，即不具备记忆功能。

当输入电压处于参考电压UR1和UR2之间时，施密特触发器保持原来的输出状态不变，所以具有较强的抗干扰能力。

3.在单稳态触发器中，输入触发脉冲只决定暂稳态的开始时刻，暂稳态的持续时间由外部的RC电路决定，从暂稳态回到稳态时不需要输入触发脉冲。

4.多谐振荡器又称无稳态电路。

在状态的变换时，触发信号不需要由外部输入，而是由其电路中的RC电路提供状态的持续时间也由RC电路决定。