鄭 江 云

( 安慶師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，安徽 安慶 246133)

555定時(shí)器原理及其實(shí)際應(yīng)用電路分析

鄭 江 云

( 安慶師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，安徽 安慶 246133)

555定時(shí)器在工業(yè)控制、定時(shí)及防盜報(bào)警等方面應(yīng)用很廣。采用不同的電路分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，給出了對應(yīng)的實(shí)測波形和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)表明，555定時(shí)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析有明顯不同，使用555定時(shí)器時(shí)，要根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的電路與參數(shù)，從而避免出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)果。

555定時(shí)器；施密特觸發(fā)器；示波器；脈沖整形電路

555定時(shí)器是一種多用途的單片中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器和電子玩具等許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)

555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)[1]如圖1所示，它主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：

(1)電阻分壓器：由3個(gè)5kΩ的電阻組成，為電壓比較器C1和C2提供基準(zhǔn)電壓。

(2)電壓比較器C1和C2：當(dāng)同相端U+大于反相端U-時(shí)，UC輸出高電平，反之則輸出低電平。

(4)放電管T：是集電極開路的三極管，相當(dāng)于一個(gè)受控電子開關(guān)。輸出為0時(shí)，T導(dǎo)通，輸出為1時(shí)，T截止。

(5)緩沖器：緩沖器由G3構(gòu)成，用于提高電路的負(fù)載能力。

2 555定時(shí)器的工作原理

2.1 理論分析

表1 555 定時(shí)器功能表

2.2 運(yùn)放輸入端實(shí)際信號與外接信號源間的關(guān)系

理論分析時(shí)將電壓比較器C1，C2的輸入端內(nèi)阻視為無窮大。2，6腳具有虛斷的特點(diǎn)，即它們和外接信號之間沒有電流，相當(dāng)于開路，則它們的實(shí)際信號與外接信號源應(yīng)該一致。為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論的正確性，以下給出兩個(gè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

1)將信號發(fā)生器輸出直流分量為零的正弦信號，通過電容隔離后只接到TH端(6腳)，用示波器測得TH端的波形，如圖2所示，它仍然為不失真的正弦波，該管腳實(shí)際波形與輸入信號相同。

3 555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器抗干擾能力強(qiáng)，它的應(yīng)用很多：波形變換，如將正弦波變成矩形波；可將變化緩慢的信號變?yōu)槎盖偷木匦涡盘?，若出現(xiàn)上升沿和下降沿不理想的情況，可用施密特觸發(fā)器整形后，獲得較理想的矩形脈沖；脈沖鑒幅，幅度不同、不規(guī)則的脈沖信號施加到施密特觸發(fā)器的輸入端時(shí)，能選擇幅度大于欲設(shè)值的脈沖信號進(jìn)行輸出。

3.1 施密特觸發(fā)器的理論電路及波形

555定時(shí)器構(gòu)建施密特觸發(fā)器的原理電路如圖4(a)所示[1]，它是一種波形整形電路，當(dāng)UI上升到略大于UR1(上閾值電壓UT+)時(shí)，輸出為低電平；當(dāng)UI下降到略小于UR2(下閾值電壓UT-)時(shí)，輸出變?yōu)楦唠娖?，波形如圖4(b)所示。理論上，當(dāng)任何波形的信號進(jìn)入電路時(shí)，輸出在正、負(fù)飽和之間跳動，產(chǎn)生矩形波輸出。

按照圖4(a)搭接電路，Ui來自信號發(fā)生器，實(shí)測波形如圖4(c)所示，顯然和理論結(jié)果圖4(b)不同，該電路雖然也能產(chǎn)生矩形波，但輸出正負(fù)跳變時(shí)刻所對應(yīng)的輸入大小是一樣的，即UT+和UT-相同。此試驗(yàn)說明，如果圖4(a)中的輸入來自信號發(fā)生器，實(shí)際上并不能實(shí)現(xiàn)施密特觸發(fā)器的功能。

(a)電路 (b)理論波形 (c)實(shí)際波形

圖4 555定時(shí)器構(gòu)建施密特觸發(fā)器電路及波形圖

3.2 施密特觸發(fā)器的實(shí)際電路與實(shí)測性能

由于在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了和理論電路不同的結(jié)果，本文試驗(yàn)了幾種施密特觸發(fā)器電路，下面分別進(jìn)行討論。

3.2.1 改進(jìn)的施密特觸發(fā)器及其實(shí)際波形

為了改善圖4(a)的缺陷，實(shí)驗(yàn)中，在輸入U(xiǎn)i與2，6腳間增加一個(gè)隔離電容，如圖5(a)所示。圖5(b)是實(shí)測波形，正弦波是輸入信號，矩形波是輸出，從Ui和U0的對應(yīng)關(guān)系可以看出，UT+和UT-是不同的，實(shí)現(xiàn)了施密特觸發(fā)器的滯回功能。雖然圖5(a)比圖4(a)僅多了一個(gè)電容，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻有實(shí)質(zhì)性不同，因而有實(shí)用價(jià)值。

當(dāng)圖5(a)中Ui增大到5Vpp時(shí)，U0會失真，如圖5(c)所示。這種失真的方波，如果送給對波形的跳變沿敏感電路(如觸發(fā)器時(shí)鐘輸入端)時(shí)，就會使后面電路產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。如測量正弦波頻率值的電路，一般的思路是先將正弦波通過施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為不失真的矩形波，然后用該矩形波作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號，則計(jì)數(shù)器工作一秒的輸出就是該正弦波的頻率。如果用失真后的矩形波作為時(shí)鐘信號，計(jì)數(shù)器的輸出就不是該正弦波的頻率，因?yàn)檫@樣的矩形波在一個(gè)正弦波周期內(nèi)至少有兩次跳變沿。要有不失真的矩形波輸出，輸入信號就不能太大，如圖5(a)，Ui不能大于5Vpp。

(a)電路 (b) 正常的矩形波輸出 (c)失真的矩形波輸出

圖5 Ui與2，6腳間加隔離電容的電路及波形

3.2.2 幾種施密特觸發(fā)器的性能比較

為了對555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器有全面的了解，設(shè)計(jì)了如圖6所示的幾種電路，表2給出了對應(yīng)的實(shí)測性能指標(biāo)。

(a) (b)[2](c)

表2 圖6所示電路的實(shí)測性能指標(biāo)

表2中幾個(gè)物理量的意義：

UT+：當(dāng)Ui在上升的過程中，U0發(fā)生跳變時(shí)所對應(yīng)的Ui值，稱為上閾值電壓。

UT-：當(dāng)Ui在下降的過程中，U0發(fā)生跳變時(shí)所對應(yīng)的Ui值，稱為下閾值電壓。

Uimin：使電路輸出正常矩形波所要求的最小的輸入電壓值。當(dāng)Ui小于Uimin時(shí)，輸出變?yōu)橐粭l直線，不能完成波形變換的功能。

Uimax：當(dāng)電路剛輸出失真矩形波時(shí)的輸入電壓值。當(dāng)Ui比Uimax大的越多，輸出的失真就越嚴(yán)重。

從表2中所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

1)圖6所示的幾種電路，回差電壓(UT+與UT-的差值)基本相等，約等于Vcc/3，但上下閾值電壓UT+和UT-的實(shí)際值與電路形式有關(guān)。如分壓電阻R1，R2，以及串聯(lián)電阻R都會影響UT+和UT-；

2)電路沒有串聯(lián)電阻R時(shí)，Uimax和Uimin的差值較小，說明要輸出正常的方波，輸入電壓的變化范圍小，如圖6(a)～6(d)，Uimax-Uimin只有0～3 V左右，特別是圖6(b)的，Uimax和Uimin基本相等，這種電路是沒有實(shí)用價(jià)值的。而串聯(lián)了R后，Uimax和Uimin的差值就變得很大，如圖6(e)和圖6(f)，Uimax-Uimin可以達(dá)到接近20 V，對輸入電壓的適應(yīng)性大大提高。

所以在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)對閾值電壓的要求，以及輸入信號可能的變化范圍，選擇合適的電路形式及參數(shù)大小，使施密特觸發(fā)器的功能得以實(shí)現(xiàn)，如波形變換、整形以及脈沖鑒幅等。

[1] 余孟嘗. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].3版.北京：高等教育出版社，2006:395-406.

[2] 陳大欽, 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[M].2版.北京：高等教育出版社，2007:146-149.

[3] 孫余凱, 吳鳴山, 項(xiàng)綺明. 555時(shí)基電路識圖[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007:42-44.

Discussion on the Principle and Application of 555 Timer Circuit

ZHENG Jiang-yun

(School of Physics and Electronic Engineering, Anqing Teachers College, Anqing 246133,China)

555 timer has wide application in the industrial control, timing and burglar alarm. The paper carried out the experiments of different circuits, measured the corresponding waveform and experimental data. Experimental results show that actual results of the 555 timer are different from theoretical results.

555 timer, Schmidt trigger, oscillometer, pulse shaper circuit

2015-01-21

鄭江云，女，安徽懷寧人，碩士，安慶師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)、圖像評價(jià)。

時(shí)間：2016-1-5 13:01 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160105.1301.018.html

TN710

A

1007-4260(2015)04-0073-04

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.04.018