李宗平，張戰(zhàn)鋒

（西北農(nóng)林科技大學，陜西 楊凌 712100）

555定時器是一種多用途的單片中規(guī)模集成電路，因其將模擬功能與邏輯功能結(jié)合在一起，所以具有使用靈活、方便的特點。因而廣泛地應用于測量控制、家用電器和電子玩具等領域。555集成電路實驗的主要目的是：通過實驗熟悉555集成電路工作原理及特點，進而掌握555集成電路的綜合應用。要達到上述目的，實驗設置中首先要考慮555集成電路的三種典型過程：即單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)、多諧振蕩和施密特觸發(fā)過程必須出現(xiàn)。其次要體現(xiàn)綜合應用的效果，也就是設計的實驗項目必須有應用性。

基于上述實驗目的，對傳統(tǒng)555集成電路實驗線路進行改進，著重體現(xiàn)綜合應用的能力。并且在實驗電路的設計上考慮聲光效果的應用，力求實驗過程妙趣橫生，強化實驗的教學效果。

1 555集成電路工作原理

555集成電路的組成（如圖1所示）：（1）三只阻值為5KΩ的電阻構成的分壓器；（2）兩個電壓比較器C1和C2；（3）基本RS觸發(fā)器；（4）放電開關管T；（5）緩沖器G。

555電路工作原理：當控制電壓輸入端口（5腳）懸空時，比較器C1和C2的比較電壓分別為和。其輸入輸出狀態(tài)如表1所示。

圖1 555集成電路的電氣原理圖

表1 555集成電路功能[1－2]

如果在電壓控制端施加一個外加電壓（其值在0～Vcc），比較器的參考電壓將發(fā)生變化，電路相應的閾值、觸發(fā)電平也將隨之變化，并進而影響電路的工作狀態(tài)。

555集成電路主要與電阻、電容構成充放電路，并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓，以確定輸出電平的高低和放電開關管的通斷。這就很方便的構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、施密斯觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生或波形變化電路。

2 實驗電路的設計

設計的電路如圖2所示，由雙555集成電路組成，前一級555集成電路（用A1表示）閾值輸入端和放電端短接并外接R1和C4組成的充電電路，輸入端接按鈕開關S2。A1的輸出給后一級的555集成電路（用A2表示）提供復位信號。A2的兩個輸入端短接由R2、R3、C3組成的充電電路，輸出信號供蜂鳴器和發(fā)光二極管工作。兩級555集成電路通過反相器連接。

圖2 實驗電路圖

3 仿真分析

3.1 A1工作原理分析

如果沒有低電平的觸發(fā)信號時，A1內(nèi)部放電管VT導通，輸出端輸出低電平，當摁下開關S2時，輸入的電位瞬時低于時，電壓比較器C2動作，輸出高電平，放電管截止，電路開始一個暫態(tài)過程，電容C4開始充電其電壓按指數(shù)規(guī)律增長。當充電到時，電壓比較器C1翻轉(zhuǎn)，輸出從高電平返回低電平，放電管重新導通，電容C上的電荷很快經(jīng)放電管放電，暫態(tài)結(jié)束，恢復穩(wěn)態(tài)，為下個觸發(fā)脈沖的到來作好準備[3]。

其波形特點：（1）輸出有一個穩(wěn)態(tài)（低電平）和一個暫穩(wěn)態(tài)（高電平）；（2）在外部負脈沖觸發(fā)信號的作用下，輸出從穩(wěn)態(tài)反轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持到一定的時間后能自動回復到穩(wěn)態(tài)；（3）暫穩(wěn)態(tài)維持的時間取決于電容的充電速度，與外觸發(fā)脈沖信號的寬度無關[4]。

這是典型的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特征。暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時

為：，輸出波形中讀出的高電平持續(xù)的時間正與此相同。

因此可以得出結(jié)論A1正是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。分析A1的工作原理就能掌握單穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)過程。

圖3 A1的工作波形

3.2 A2工作原理分析

閾值輸入端和觸發(fā)輸入端直接相連，電路沒有外加觸發(fā)信號。當復位端高電平時，電源通過R2和R3向電容C3充電，當電容C3上的電壓大于，V02輸出低電平，放電管導通，電容C3經(jīng)過R3和放電管放電，當電容C3上電壓小于時，V02輸出高電平，放電管截致，C3再次被充電，如此周而復始，使電路產(chǎn)生振蕩[5]。電容C3及輸出V02的波形如圖4所示。

圖4 A2的工作波形

可以看出該電路無觸發(fā)脈沖輸入，電容重復充放電過程，電路自激振蕩；輸出沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。這些符合多諧振蕩器的特征，那么由此可以判定A2正是被接成了多諧振蕩器了。

兩個暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時間分別為電容C3的充電和放電時間。

即：

時間參數(shù)

上述的三個時間參數(shù)均能從輸出波形中讀出，并且數(shù)值完全一致。對A2的設計和分析其實也就是在完成多諧振蕩器的實驗內(nèi)容。

3.3 整體分析

當摁一下開關S2時，給A1輸入一個觸發(fā)脈沖，A1輸出暫穩(wěn)態(tài)（高電平）信號，經(jīng)反相器后加在A2的復位端，A2輸出低電平，蜂鳴器和LED不工作，A1暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后跳變?yōu)榉€(wěn)態(tài)（低電平），反相后使A2自激振蕩，從而使蜂鳴器有節(jié)奏的發(fā)聲，LED也閃爍起來。

A1的暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間就是所要延遲的時間。波形圖中上方為電路的輸入，下方為電路的輸出波形，從仿真結(jié)果中可以清楚地看出該電路的工作過程。

圖5 實驗仿真結(jié)果

實驗過程中可以通過調(diào)節(jié)R1和C4的取值來調(diào)整延遲時間。延時時間最大可以達到幾十分鐘。也可以通過改變R2、R3和C3的大小來改變蜂鳴器的音效和LED閃爍頻率。

實驗結(jié)果也同時驗證這就是一個非常實用的延時報警電路，該電路可以直接應用在家用電器和智能玩具中，完成定時功能。這個結(jié)果對實驗者來說也是很大的收獲和鼓舞，其實驗效果也就是不言而喻了。

4 實驗拓展

改變前一級555集成電路的輸入信號，即用正弦波發(fā)生器替換按鈕開關，并且把閾值輸入端和觸發(fā)輸入端短接，該電路就變?yōu)槿鐖D6所示。

仿真后可知此時A1構成了施密斯觸發(fā)器了。輸入正弦波經(jīng)過A1后輸出為方波，而且轉(zhuǎn)換過程還具備下述特點：（1）輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。（2）在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，由于電路內(nèi)部負反饋的存在，輸出電壓波形的邊沿很陡。

A2的多諧振蕩過程依然保持不變，而綜合實驗效果又發(fā)生變化了，細心觀察會發(fā)現(xiàn)這又變成了音樂發(fā)生器電路了，只要改變正弦波輸入的頻率或者A2的外部參數(shù)的數(shù)值就可以改變蜂鳴器的音響效果。

圖6 拓展實驗線路

圖7 拓展實驗仿真結(jié)果

圖8 觸摸開關電路仿真結(jié)果

除此之外，實驗中如果去掉雙555集成電路中間連接器件反相器，實驗的效果果就又生了變化，觀察仿真波形可以看出只要有觸發(fā)輸入馬會有輸出信號，實驗過程可以看出，當點一下開關，蜂鳴器和LED就工作，這又同樓梯間使用的觸摸開關電路相當。

觸類旁通，實驗內(nèi)容還可以進一步擴展，實驗也就更有趣。

5 效果分析

（1）達到實驗目的的要求，并且強化實驗者對555集成電路的應用能力。

實驗過程中不但能清晰的重現(xiàn)555集成電路的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)、多諧振蕩和施密斯觸發(fā)三種典型工作過程，而且通過對每個過程中波形的觀察和以及參數(shù)的測量，能熟悉各個過程的特點。

實驗過程中通過雙555集成電路的應用，以及對線路的實用性分析，能增強實驗者的對知識的綜合應用能力。

（2）實驗的趣味性增加，提升實驗者的興趣。

實驗過程采用用蜂鳴器和LED作為輸出結(jié)果最為直觀的體現(xiàn)，靈活應用聲光結(jié)合的特點，通過視覺和聽覺的雙重沖擊來加深實驗的效果。

（3）通過該實驗可以拓展實驗者思維，使實驗真正成為理論聯(lián)系實際的紐帶。

實驗內(nèi)容可以靈活擴展，并且實驗線路具有實用性，可以直接應用在實際生活和生產(chǎn)中。

（4）實驗需要的器材較少，實驗線路簡單，可操作性強。

實驗過程只需要含雙555定時器的集成電路一塊，反相器電路一塊，以及少量的外圍電子元件，測試儀表只是需要示波器一臺，因此實驗過程不受場所限制。

[1]閻石.數(shù)字電子技術[M].北京：高等教育出版社，1998.

[2]程勇.Multisim10電路仿真[M].北京：人民郵電出版社，2010：217－218.

[3]李豐.數(shù)字電子技術基礎同步輔導及習題全解[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2006.

[4]任駿.原基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設計方法[J].浙江大學學報，2011，38（2）：177－178.

[5]吳訓威，汪鵬君.基于集成門的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設計原理[J].杭州大學學報：自然科學版，1998，25（4）：35－40.