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定時器原理及其實際應(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定時器在工業(yè)控制、定時及防盜報警等方面應(yīng)用很廣。采用不同的電路分別進行實驗，給出了對應(yīng)的實測波形和實驗數(shù)據(jù)。實驗教學(xué)表明，555定時器的實驗結(jié)果和理論分析有明顯不同，使用555定時器時，要根據(jù)實際需要，選擇合適的電路與參數(shù)，從而避免出現(xiàn)錯誤的結(jié)果。

555定時器；施密特觸發(fā)器；示波器；脈沖整形電路

555定時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定時器的電路結(jié)構(gòu)

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

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

(2)電壓比較器C1和C2：當同相端U+大于反相端U-時，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，相當于一個受控電子開關(guān)。輸出為0時，T導(dǎo)通，輸出為1時，T截止。

(5)緩沖器：緩沖器由G3構(gòu)成，用于提高電路的負載能力。

2 555定時器的工作原理

2.1 理論分析

表1 555 定時器功能表

2.2 運放輸入端實際信號與外接信號源間的關(guān)系

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

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，該管腳實際波形與輸入信號相同。

3 555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器抗干擾能力強，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，能選擇幅度大于欲設(shè)值的脈沖信號進行輸出。

3.1 施密特觸發(fā)器的理論電路及波形

555定時器構(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UI上升到略大于UR1(上閾值電壓UT+)時，輸出為低電平；當UI下降到略小于UR2(下閾值電壓UT-)時，輸出變?yōu)楦唠娖?，波形如圖4(b)所示。理論上，當任何波形的信號進入電路時，輸出在正、負飽和之間跳動，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，但輸出正負跳變時刻所對應(yīng)的輸入大小是一樣的，即UT+和UT-相同。此試驗說明，如果圖4(a)中的輸入來自信號發(fā)生器，實際上并不能實現(xiàn)施密特觸發(fā)器的功能。

(a)電路 (b)理論波形 (c)實際波形

圖4 555定時器構(gòu)建施密特觸發(fā)器電路及波形圖

3.2 施密特觸發(fā)器的實際電路與實測性能

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

3.2.1 改進的施密特觸發(fā)器及其實際波形

為了改善圖4(a)的缺陷，實驗中，在輸入Ui與2，6腳間增加一個隔離電容，如圖5(a)所示。圖5(b)是實測波形，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)僅多了一個電容，但實驗結(jié)果卻有實質(zhì)性不同，因而有實用價值。

當圖5(a)中Ui增大到5Vpp時，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)器時鐘輸入端)時，就會使后面電路產(chǎn)生錯誤的結(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數(shù)器的時鐘信號，則計數(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鐘信號，計數(shù)器的輸出就不是該正弦波的頻率，因為這樣的矩形波在一個正弦波周期內(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定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器有全面的了解，設(shè)計了如圖6所示的幾種電路，表2給出了對應(yīng)的實測性能指標。

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

表2 圖6所示電路的實測性能指標

表2中幾個物理量的意義：

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

UT-：當Ui在下降的過程中，U0發(fā)生跳變時所對應(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Ui小于Uimin時，輸出變?yōu)橐粭l直線，不能完成波形變換的功能。

Uimax：當電路剛輸出失真矩形波時的輸入電壓值。當Ui比Uimax大的越多，輸出的失真就越嚴重。

從表2中所示的實驗結(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，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，這種電路是沒有實用價值的。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可以達到接近20 V，對輸入電壓的適應(yīng)性大大提高。

所以在實際應(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)實驗[M].2版.北京：高等教育出版社，2007:146-149.

[3] 孫余凱, 吳鳴山, 項綺明. 555時基電路識圖[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，研究方向為電子技術(shù)、圖像評價。

時間：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