555定時器簡介、組成部分及基本功能

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)