555定時器簡介
定時器(timer)也稱時基(timebase)電路,它可以作為定時器件用。555 定時器集成模擬和數(shù)字電路,只需要添加有限的外圍元器件,就可以極其方便地構(gòu)成許多實(shí)用的電子電路,如施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等。
內(nèi)部組成部分
1、電壓比較器
C1和C2是兩個結(jié)構(gòu)完全相同的高精度電壓比較器。當(dāng)比較器的同相輸入端v+大于反相輸入端v-時,其輸出為高電平;反之,當(dāng) v+ < v- 時,其輸出為低電平。
2、分壓電阻
由3個阻值為5k的電阻串聯(lián)構(gòu)成分壓器,為2個電壓比較器提供參考電壓。通過改變引腳5的接法可以改變C1和C2的參考電壓,當(dāng)引腳5通過10K電阻接地,則C1和C2的參考電壓分別為VREF1 = 1/2Vcc和VREF2 = 1/4Vcc;當(dāng)引腳5加控制電壓VDD時,則C1和C2的參考電壓分別為VREF1 = VDD和VREF2 = 1/2VDD;當(dāng)引腳5不加控制電壓時,一般不可懸空,可通過1個小電容(0.01~0.1μF)接地,以旁路高頻干擾,此時C1和C2的參考電壓分別為2/3Vcc和1/3Vcc.
3、基本RS觸發(fā)器
由與非門G1和G2構(gòu)成基本 RS 觸發(fā)器,它的狀態(tài)由2個電壓比較器的輸出來控制。其中R非是專門設(shè)置的可從外部直接異步置0的復(fù)位端,低電平有效。
4、泄放三極管
三極管VTD是集電極開路輸出三極管,為外接電容提供充、放電回路,稱為泄放三極管?;綬S觸發(fā)器輸出Q=1時VTD導(dǎo)通;反之,Q=0時VTD截止。
6、反相器
反相器G3為輸出緩沖反相器,它的設(shè)計(jì)考慮了有較大的驅(qū)動電流能力,一般可驅(qū)動 2個TTL門電路;同時,還可隔離負(fù)載對定時器的影響,起整形作用。
555定時器的基本功能
綜上所述,555定時器的主要功能取決于2個電壓比較器C1和C2的輸出,其輸出控制著基本RS觸發(fā)器和泄放三極管VTD的狀態(tài)。當(dāng)R非=1,并且引腳5不外接電壓而是對地接1個小電容時,電路的具體工作情況如下:
當(dāng)v11 > 2/3Vcc,v12 > 1/3Vcc時,C1輸出為0,C2輸出為1,基本RS觸發(fā)器被置1,VTD導(dǎo)通,VO輸出為低電平。此時常稱為高觸發(fā)功能,高觸發(fā)的主要觸發(fā)條件是 v11 > 2/3Vcc 。
當(dāng)v11 < 2/3Vcc,v12 < 1/3Vcc時,C1輸出為1,C2輸出為0,基本RS觸發(fā)器被置0,VTD截止,VO輸出為高電平。此時常稱為低觸發(fā)功能,低觸發(fā)的主要觸發(fā)條件是 v12 < 1/3Vcc 。
當(dāng)v11 < 2/3Vcc,v12 > 1/3Vcc時,C1和C2輸出均為1,基本RS觸發(fā)器狀態(tài)保持不變,因此VTD和VO狀態(tài)也保持不變。
555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器
施密特觸發(fā)器(Schmitt FF)是數(shù)字系統(tǒng)中常用的一種波形變換電路,工作時具有穩(wěn)態(tài)I和穩(wěn)態(tài)II兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài),屬于雙穩(wěn)態(tài)電路。
用555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路如圖1(a)所示。圖中,555定時器2個電壓比較器輸入端(6)和(2)連在一起,外接輸入電壓,作為施密特觸發(fā)器的輸入端;清0端R非(4)接高電平Vcc;Vco(5)端對地接0.01μF電容,起濾波作用,為的是提高比較器參考電壓的穩(wěn)定性。這樣,輸入V1的大小將直接影響 555 定時器兩個電壓比較器C1和C2的輸出進(jìn)而影響電路的輸出狀態(tài)。
圖1
1、工作原理
如果在施密特觸發(fā)器輸入端V1加正弦波,則可在輸出端得到如圖1 (b)所示的矩形脈沖。其工作過程如下:
當(dāng)V1 < 1/3Vcc*時,對于C1,由于 v1+ > v1- ,輸出為高電平;對于C2,由于 v2+ < v2- ,輸出為低電平。這樣,基本RS觸發(fā)器被置0,電路輸出為高電平,可視作電路處于穩(wěn)態(tài)I。此時的主要觸發(fā)條件是 v1 < 1/3Vcc ,相當(dāng)于低觸發(fā)功能。
當(dāng)1/3Vcc < V1 < 2/3Vcc時,對于C1和C2,由于都存在 v+ > v- ,因此二者輸出均為高電平,這樣,基本RS觸發(fā)器狀態(tài)保持不變,電路輸出也不會發(fā)生變化。
當(dāng) V1 ≥ Vcc時,對于C1,由于 v1+ < v1- ,輸出為低電平;對于C2,由于 v2+ > v2- ,輸出為高電平。這樣,基本RS觸發(fā)器被置1,電路輸出為低電平,可視作電路處于穩(wěn)態(tài)II。此時的主要觸發(fā)條件是 v1 ≥ Vcc ,相當(dāng)于高觸發(fā)功能。
顯然,若V1繼續(xù)上升,電路輸出則持續(xù)為低電平,保持在穩(wěn)態(tài)I。而當(dāng)V1由最大值逐步下降,只有當(dāng)V1下降至 V1 ≤ Vcc時,C1和C2輸出分別為高電平和低電平,基本RS觸發(fā)器被置0,電路輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?,狀態(tài)又發(fā)生一次翻轉(zhuǎn),返回到穩(wěn)態(tài)I。
2、主要參數(shù)
由以上分析可見,施密特觸發(fā)器有2種穩(wěn)定工作狀態(tài),具體處于哪一種工作狀態(tài),取決于輸入信號電平的高低。當(dāng)輸入信號由低電平逐步上升到某一電平 (VT+)時,電路狀態(tài)發(fā)生1次轉(zhuǎn)換:當(dāng)輸入信號由高電平逐步下降到某一電平 (VT-)時,電路狀態(tài)又會發(fā)生1次轉(zhuǎn)換。因此,它是電平觸發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)電路。
圖2
施密特觸發(fā)器的上限觸發(fā)電平VT+和下限觸發(fā)電平VT-的差值稱為施密特觸發(fā)器的回差電壓△VT,2次觸發(fā)電平的不一致性稱為施密特觸發(fā)器的回差特性,又叫滯遲特性,這正是施密特觸發(fā)器最重要的電氣特性。
顯然,對于圖1(a)有
VT+ = 2/3Vcc;VT- = 1/3Vcc
△VT = VT+ - VT- = 1/3Vcc
圖1(a)所示電路的電壓傳輸特性曲線如圖2所示。通過改變電壓控制端Vco(5)的電壓值即可改變回差電壓的大小。通常,Vco(5)端電壓越高,施密特觸發(fā)器的回差電壓就越大,電路的抗干擾能力也越強(qiáng),但靈敏度會相應(yīng)降低。
555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器
單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(one-shot monostable multivibrator),又稱單穩(wěn)態(tài)振蕩器(monostablemultivibrator),是廣泛應(yīng)用于脈沖整形、延時和定時的常用電路。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài) 2個不同的工作狀態(tài),是單穩(wěn)態(tài)電路。當(dāng)無輸入信號觸發(fā)時電路處于穩(wěn)態(tài);在外界觸發(fā)脈沖作用下,電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài),在暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)一定時間后,又會自動地翻轉(zhuǎn)到穩(wěn)態(tài)。
用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路如圖3(a)所。圖中以V12(2)端作輸入觸發(fā)端,V1的下降沿觸發(fā);清0端R(4)接高電平Vc;將VTD三極管的集電極輸出Vo(7)端通過電阻R接Vcc,構(gòu)成反相器;VTD反相器輸出端Vo(7)通過電容C接地;同時,Vo(7)和V11(6)端連在一起;Vco(5)端對地接0.01μF電容,以防干擾。
圖3
1、工作原理
單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形如圖3(b)所示。其工作過程如下:
設(shè)電源接通后,沒有觸發(fā)信號,輸入信號 V1 = Vcc ,電路已達(dá)到穩(wěn)態(tài),輸出為低電平。
在穩(wěn)態(tài)期間,由于 V1 = Vcc ,對于電壓比較器C2, v2+ > v2- ,輸出為高電平。電源剛接通時,電路會有一個暫態(tài)過程,即Vcc通過電阻R對電容C充電,使V11(6)電位上升。當(dāng)(6)充電至大于2/3Vcc時,對比較器C1,就會出現(xiàn) v1+ < v1- ,輸出為低電平。這樣,基本RS觸發(fā)器被置1,電路輸出Vo為低電平。同時,Q=1使泄放三極管VTD導(dǎo)通,電容C將通過VTD放電當(dāng)V11(6)放電至小于1/3Vcc時,比較器C1輸出也為高電平,最高電容C放電至0。這樣,由于C1和C2輸出均為高電平,基本RS觸發(fā)器狀態(tài)保持不變,電路輸出也不會發(fā)生變化,電路將穩(wěn)定的處于Vo=VoL=0V。
當(dāng)輸入觸發(fā)端V1下降沿到達(dá)時,由于 V1 = 0V < 1/3Vcc ,對比較器C1將會出現(xiàn) v2+ < v2- ,輸出為低電平。這樣,基本RS觸發(fā)器被置0,電路輸出為高電平Vo=VOH=Vcc。電路受到觸發(fā)發(fā)生一次翻轉(zhuǎn),進(jìn)入到暫穩(wěn)態(tài)。
在暫穩(wěn)態(tài)期間,由于Q=0使VTD截止,則Vcc通過R對C進(jìn)行充電,使V11(6)電位逐步上升。當(dāng)V11(6) ≥ Vcc時,C1出現(xiàn) v1+ < v1- ,輸出為低電平。這樣,基本RS觸發(fā)器被置1,電路輸出Vo為低電平,又自動發(fā)生一次翻轉(zhuǎn),暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。與此同時,Q=1使VT導(dǎo)通,電容C很快通過VT放電至0,電路恢復(fù)到初始的穩(wěn)定狀態(tài)。
這時,由于 V11(6) < 2/3Vcc ,C1輸出為高電平,基本RS觸發(fā)器狀態(tài)保持不變,電路為下次觸發(fā)翻轉(zhuǎn)做好了準(zhǔn)備。當(dāng)下一個觸發(fā)信號到來時,又重復(fù)上述過程。
2、主要參數(shù)的估算
由以上分析可見,輸出脈沖的寬度tw是暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間,為電容C的電壓從0上升到2/3Vcc所需的時間。
暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間的長短取決于電路本身的參數(shù),即外接定時元件R和C,而與外界觸發(fā)脈沖無關(guān)。通常,電阻R取值在幾百歐至幾兆歐范圍內(nèi),電容C取值在幾百皮法至幾百微法,所以tw對應(yīng)范圍可在幾微秒到幾分鐘。tw越大,電路的精度和穩(wěn)定度會相對下降。
555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器
用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖4 所示。圖中,清0端R非(4)接高電平Vcc;Vco(5)端對地接0.01μF電容,起濾波作用;V11(6)和V12(2)相連并通過電容C接地,同時還通過R接到VTD輸出端Vo(7);此外,Vo(7)端通過R1接電源Vcc,這樣,VTD就構(gòu)成了集電極開路門反相器的形式。圖中,R1、R2、C均是定時元件。多諧振蕩器V11(6)和V12(2)相連的接法和施密特的接法一致,所不同的是施密特的輸入由V1提供,而多諧振蕩器的輸入是由電容電壓Vc提供。
圖4
1、工作原理
其工作過程如下。
假設(shè)接通電源之前,電容電壓Vc(即V11(6)和V12(2))為零。在電路接通電源時,由于Vc不能跳變,所以比較器C1和C2的輸出分別為高電平和低電平。這樣,基本RS觸發(fā)器被置0,電路輸出為高電平。同時,Q=0使三極管VTD截止,電容C開始充電,充電路徑為Vcc -> R1 -> R2 -> C -> 地,充電時間常數(shù)為τ = (R1+R2)C。隨著充電的進(jìn)行,Vc電位不斷升高,但只要 Vc < 2/3Vcc ,電路的輸出 Vo=VoH=Vcc就保持不變,這就是暫穩(wěn)態(tài)I。
隨著充電的進(jìn)行,Vc電位繼續(xù)升高,當(dāng)Vc ≥ 2/3Vcc時,C1和C2的輸出分別為低電平和高電平。這樣,基本RS觸發(fā)器被置1,電路輸出為低電平,發(fā)生第1次自動翻轉(zhuǎn)。同時,Q=1使三極管VTD導(dǎo)通,電容C開始放電,放電路徑為C -> R2 -> VTD -> 地,放電時間常數(shù)為τ2 = R2C。隨著放電的進(jìn)行,Vc電位不斷下降,但只要 2/3Vcc > Vc >1/3Vcc ,電路的輸出Vo=VoL =0V就保持不變,這就是暫穩(wěn)態(tài)II。
隨著放電的進(jìn)行,Vc電位繼續(xù)下降,當(dāng)Vc下降至Vc < 1/3Vcc時,基本RS觸發(fā)器被置0,電路輸出為高電平,發(fā)生第2次自動翻轉(zhuǎn)。同時,Q=0使三極管VTD截止,電源Vcc又通過(R1+R2)對電容C再次充電,重復(fù)上述過程,如此反復(fù),形成自激多諧振蕩,電路輸出便得到周期性的矩形脈沖。
2、主要參數(shù)的估算
由上述工作過程分析和工作波形可知,暫穩(wěn)態(tài)I持續(xù)時間tW1為電容電壓由Vcc/3充電至2Vcc/3所需的時間;暫穩(wěn)態(tài) II 持續(xù)時間tW2為電容電壓由2Vcc/3放電至 Vcc/3 所需要的時間??傻?/p>
電路輸出矩形脈沖的周期為
矩形脈沖占空比為
不難看出,圖4中由555構(gòu)成的多諧振蕩器只能生成占空比大于50%的矩形波,我們可以增加兩個二極管,如圖5所示,即可產(chǎn)生任意占空比的矩形波。
圖5
tw1 = 0.7R1C
tw2 = 0.7R2C
T = tw1 + tw2 = 0.7*(R1+R2)*C
q = tw1/T = R1/(R1+R2)
-
二極管
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定時器
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電壓比較器
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觸發(fā)器
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