6.1概述 555定时器是电子工程领域中广泛使用的一种中规模集成电路,它将模拟与 逻辑功能巧妙地组合在一起,具有结构简单、使用电压范围宽、工作速度快、定 时精度高、驱动能力强等优点。555定时器配以外部元件,可以构成多种实际应 用电路。广泛应用于产生多种波形的脉冲振荡器、检测电路、自动控制电路、家 用电器以及通信产品等电子设备中。 下图是一个555定时器应用实例:晶体管简易测试仪。 R R R R 定 TH 时 TR 将晶体管接入由555定时器及外接元件构成的振荡器,被测管放大输入的振 荡信号,将输出送给扬声器。根据扬声器的发声,可对被测管性能进行定性的测 试。若扬声器无声,说明管子己损坏;若扬声器声音小,则说明管子的β小;若 扬声器声音大,则说明管子的B大。 本章主要讨论由55定时器组成三种脉冲电路(施密特触发器,单稳触发器 和多谐振荡器)的工作原理,及波形参数与电路参数之间的关系
UDD R1 R2 UDD D TH TR C R OUT 555 定 时 器 地 R 6．1 概述 555 定时器是电子工程领域中广泛使用的一种中规模集成电路，它将模拟与 逻辑功能巧妙地组合在一起，具有结构简单、使用电压范围宽、工作速度快、定 时精度高、驱动能力强等优点。555 定时器配以外部元件，可以构成多种实际应 用电路。广泛应用于产生多种波形的脉冲振荡器、检测电路、自动控制电路、家 用电器以及通信产品等电子设备中。 下图是一个 555 定时器应用实例：晶体管简易测试仪。 将晶体管接入由 555 定时器及外接元件构成的振荡器，被测管放大输入的振 荡信号,将输出送给扬声器。根据扬声器的发声，可对被测管性能进行定性的测 试。若扬声器无声，说明管子已损坏；若扬声器声音小，则说明管子的β 小；若 扬声器声音大，则说明管子的β 大。 本章主要讨论由 555 定时器组成三种脉冲电路（施密特触发器，单稳触发器 和多谐振荡器）的工作原理，及波形参数与电路参数之间的关系
6.2555定时器 6.2.1555定时器的分类 555定时器又称时基电路。555定时器按照内部元件分有双极型(又称TTL 型)和单极型两种。双极型内部采用的是晶体管;单极型内部采用的则是场效应 管 555定时器按单片电路中包括定时器的个数分有单时基定时器和双时基定时 器两种 常用的单时基定时器有双极型定时 器5G555(管脚排列如图62所示)和单 极型定时器CC7555。双时基定时器有双 极型定时器5G556和单极型定时器 OUT 图625G555管脚排列图 CC7556。 622555定时器的电路组成 5G555定时器内部电路如图63所示,一般由分压器、比较器、触发器和开 关及输出等四部分组成。 1.分压器 分压器由三个等值的电阻串联智 而成,将电源电压UD分为三等份,椭s 作用是为比较器提供两个参考电压 Qur U RI、0R2 若控制端S悬空或通过 电容接地,则: 总帕)D 图635G555定时器内部电路 若控制端S外加控制电压,则: 2.比较器
6．2 555 定时器 6.2.1 555 定时器的分类 555 定时器又称时基电路。555 定时器按照内部元件分有双极型（又称 TTL 型）和单极型两种。双极型内部采用的是晶体管；单极型内部采用的则是场效应 管。 555 定时器按单片电路中包括定时器的个数分有单时基定时器和双时基定时 器两种。 常用的单时基定时器有双极型定时 器 5G555（管脚排列如图 6.2 所示）和单 极型定时器 CC7555。双时基定时器有双 极型定时器 5G556 和单极型定时器 CC7556。 6.2.2 555 定时器的电路组成 5G555 定时器内部电路如图 6.3 所示， 一般由分压器、比较器、触发器和开 关及输出等四部分组成。 1．分压器 分压器由三个等值的电阻串联 而成，将电源电压 UDD分为三等份， 作用是为比较器提供两个参考电压 UR1、UR2，若控制端 S 悬空或通过 电容接地，则： UR UDD 3 2 1 = UR UDD 3 1 2 = 若控制端 S 外加控制电压，则： 2 2 1 S R R S U U U U = = 2. 比较器 图 6.2 5G555 管脚排列图
比较器是由两个结构相同的集成运放A1、A2构成。A1用来比较参考电压U 和高电平触发端电压vm:当Um>U1,集成运放A1输出Uo=0;当UmUR2,集成运放A2输出U2=1,当U<Uk2,集成运放A2输出Ua2=0 3.基本RS触发器 当RS=01时,Q=0,Q=1;当RS=10时,Q=1,=0 4.开关及输出 放电开关由一个晶体三极管组成,称其为放电管,其基极受基本RS触发器 输出端控制。当=1时,放电管导通,放电端D通过导通的三极管为外电 路提供放电的通路;当=0,放电管截止,放电通路被截断。 623555定时器的功能以单时基双极型国产5G555定时器为例,其功能 如表6.1所示。 表6.1 5G555定时器功能表 U OUT 放电端D 0 与地导通 与地导通 DD 保持原状态不变保持原状态不变 与地断开 6.2.4555定时器的主要参数 5G5单时基双极型定时器)和CC7555(单时基CMOS型定时器)的主要 参数对比如表62所示
比较器是由两个结构相同的集成运放 A1、A2 构成。A1 用来比较参考电压 UR1 和高电平触发端电压 UTH：当 UTH > UR1，集成运放 A1 输出 Uo1=0；当 UTH UDD 3 1 > 0 与地导通 1 UDD 3 2 保持原状态不变 保持原状态不变 1 UDD 3 2 < UDD 3 1 < 1 与地断开 6．2．4 555 定时器的主要参数 5G555(单时基双极型定时器)和 CC7555（单时基 CMOS 型定时器）的主要 参数对比如表 6.2 所示
表62 CMOS型 ITL 参数 单位 CC7555 5G555 电源电压 3~18 4.5~16 静态电源电流 mA 0.12 定时精度 高电平触发端电压 2 高电平触发端电流 LA 0.00005 0.1 低电平触发端电压 低电平触发端电流 LA 0.00005 0.5 复位端复位电压 复位端复位电流 μ 0.1 400 放电端放电电流 mA 10~50 200 输出端驱动电流 mA 200 最高工作频率 KHZ 500 从表6.2可见 (1)二者的工作电源电压范围不同。 (2)双极型定时器输入输出电流较大,驱动能力强,可直接驱动负载,适宜 于有稳定电源的场合使用 (3)单极型定时器输入阻抗高,工作电流小,功耗低且精度高,多用于需要 节省功耗的领域。 【思考题】 1.555定时器主要由哪几部分组成?每部分各起什么作用? 2.双极型定时器与CMOS型定时器有什么异同?
表 6.2 参数 单位 CMOS 型 CC7555 TTL 型 5G555 电源电压 V 3～18 4.5～16 静态电源电流 mA 0.12 10 定时精度 % 2 1 高电平触发端电压 V UDD 3 2 UDD 3 2 高电平触发端电流 µA 0.00005 0.1 低电平触发端电压 V UDD 3 2 UDD 3 2 低电平触发端电流 µA 0.00005 0.5 复位端复位电压 V 1 1 复位端复位电流 µA 0.1 400 放电端放电电流 mA 10～50 200 输出端驱动电流 mA 1～20 200 最高工作频率 KHz 500 500 从表 6.2 可见： (1) 二者的工作电源电压范围不同。 (2) 双极型定时器输入输出电流较大，驱动能力强， 可直接驱动负载，适宜 于有稳定电源的场合使用。 (3) 单极型定时器输入阻抗高，工作电流小，功耗低且精度高，多用于需要 节省功耗的领域。 【思考题】 1. 555 定时器主要由哪几部分组成？每部分各起什么作用？ 2. 双极型定时器与 CMOS 型定时器有什么异同？
63555定时器的基本应用电路 631施密特触发器 施密特触发器是一种脉冲信号变换电路,用来实现整形和鉴波。 1.电路结构 由555定时器构成的施密特触发器如图64所示 OUT 图64施密特触发器 图6.5施密特触发器输入信号 2.工作原理 设输入信号为正弦波,正弦波幅度大于55定时器的参考电压UR1 -UDp (控制端S通过滤波电容接地),电路输入输岀波形如图6.5所示。根据55定 时器功能表6.1可知 (1)当斫处于0<<UD上升区间时,OUT=“1” (2)当处于1Um0<m<2Um上升区间时,OU仍保持原状态“1"不变。 (3)当面处于m≥2Um区间时,OUT将由“1状态变为“0°状态,此刻对应 的面值称为复位电平或上限阙值电压 (4)当处于UD<<UD下降区间时,OUT保持原来状态“0不变。 (5)当处于U/≤UDD区间时,OUT又将由“0状态变为1状态,此刻对应 的面值称为置位电平或下限阈值电压
1 6.3 555 定时器的基本应用电路 6.3.1 施密特触发器 施密特触发器是一种脉冲信号变换电路，用来实现整形和鉴波。 1. 电路结构 由 555 定时器构成的施密特触发器如图 6.4 所示 2. 工作原理 设输入信号 ui 为正弦波，正弦波幅度大于 555 定时器的参考电压 UR1= UDD 3 2 （控制端 S 通过滤波电容接地），电路输入输出波形如图 6.5 所示。根据 555 定 时器功能表 6.1 可知： （1） 当 ui 处于 0＜ui＜ UDD 3 1 上升区间时，OUT = “1” 。 （2） 当 ui 处于 UDD 3 1 ＜ui＜ UDD 3 2 上升区间时， OUT 仍保持原状态“1”不变。 （3）当 ui 处于 ui≥ UDD 3 2 区间时，OUT 将由 “1”状态变为 “0”状态，此刻对应 的 ui 值称为复位电平或上限阈值电压。 （4）当 ui 处于 UDD 3 1 ＜ui＜ UDD 3 2 下降区间时， OUT 保持原来状态 “0”不变。 （5）当 ui 处于 Ui≤ UDD 3 1 区间时，OUT 又将由“0”状态变为“1”状态，此刻对应 的 ui 值称为置位电平或下限阈值电压。 OUT UDD C TH TR ui 8 4 3 6 2 1 5 uo UDD UDD UDD o t o t 3 1 3 2 uo ui 图 6.4 施密特触发器 图 6.5 施密特触发器输入信号
从图6.5输入输出波形分析中,可以发现置位电平和复位电平二者是不等的 二者之间的电压差称为回差电压用△U表示,即AUT=UR1-U2 若控制端S悬空或通过电容接地,Ug=UD,而U2=UD,则 △U1=U-Ug320 >若控制端S外接控制电压Us,U1=而U2=1U则 △Ux=Up1-U 图66所示为S端悬空或通过电容接 地的施密特触发器电压传输特性,同时也 反映了回差电压的存在,而这种现象称为 电路传输滞后特性。回差电压越大,施密 特触发器的抗干扰性越强,但施密特触发 器的灵敏度也会相应降低 图66施密特触发器电压传输特性 3.典型应用 (1)波形变换。将任何符合特定条件的输入信号变为对应的矩形波输出信号。三 角波变换为矩形波如图6.7所示。 ( 图67波形变换 (2)幅度鉴别。只有输入信号的幅度大于U1时,输出端才出现OUT=“0”的状 态。由此可以判断输入信号的幅度是否超过一定的值。如图6.8所示。 (3)脉冲整形。脉冲信号在传输过程中如果受到干扰,其波形会产生变形。可利 用施密特触发器进行整形,将变形的矩形波变成规则的矩形波。如图6.9所示
2 o uo UDD 3UDD 1 3UDD 2 ui 图 6.6 施密特触发器电压传输特性 图 6.7 波形变换 UR1 UR2 从图 6.5 输入输出波形分析中，可以发现置位电平和复位电平二者是不等的， 二者之间的电压差称为回差电压用ΔUT表示，即ΔUT = UR1 －UR2。 ¾ 若控制端 S 悬空或通过电容接地, UR1= UDD 3 2 ，而 UR2= UDD 3 1 ，则 ΔUT = UR1－UR2 = UDD 3 1 ¾ 若控制端 S 外接控制电压 US，UR1 = US而 UR2= US 2 1 则 ΔUT = UR1－UR2 = US 2 1 图 6.6 所示为 S 端悬空或通过电容接 地的施密特触发器电压传输特性，同时也 反映了回差电压的存在，而这种现象称为 电路传输滞后特性。回差电压越大，施密 特触发器的抗干扰性越强，但施密特触发 器的灵敏度也会相应降低。 3. 典型应用 (1) 波形变换。将任何符合特定条件的输入信号变为对应的矩形波输出信号。三 角波变换为矩形波如图 6.7 所示。 (2) 幅度鉴别。只有输入信号的幅度大于 UR1 时，输出端才出现 OUT =“0”的状 态。由此可以判断输入信号的幅度是否超过一定的值。如图 6.8 所示。 (3)脉冲整形。脉冲信号在传输过程中如果受到干扰，其波形会产生变形。可利 用施密特触发器进行整形，将变形的矩形波变成规则的矩形波。如图 6.9 所示
U 图68幅度鉴别 图6.9脉冲整形 632单稳态触发器 单稳态触发器在数字电路中一般用于定时(产生一定宽度的矩形波)、整形 (把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形)以及延时(把输入信号延迟 定时间后输出)等 单稳态触发器具有下列特点: (1)电路有一个稳态和一个暂稳态。 (2)在外来触发脉冲作用下,电路由稳态翻转到暂稳态。 (3)暂稳态是一个不能长久保持的状态,经过一段时间后,电路会自动返 回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关,仅决定于电路本身的参数。 1.电路结构 单稳态触发器如图6.10(a)所 2.工作原理 001uF 图6.10单稳态触发器 (b)
3 6.3.2 单稳态触发器 单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形波）、整形 （把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及延时（把输入信号延迟 一定时间后输出）等。 单稳态触发器具有下列特点： （1）电路有一个稳态和一个暂稳态。 （2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。 （3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返 回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。 1. 电路结构 单稳态触发器如图 6.10（a）所示。 2. 工作原理 t o t o uo ui UR1 UR2 图 6.9 脉冲整形 干扰 o t o t uo ui UR1 图 6.8 幅度鉴别 UR2 8 4 R 7 6 2 555 3 1 5 C0 uo ＋UDD 0.01 µF D TH TR ui R (a) C tP ui UDD 3UDD 1 o t o t o t (b) uo UDD uC 3UDD 2 t W 图 6.10 单稳态触发器
当单稳态触发器无触发脉冲信号时,输入端Uⅰ=“1”。接通直流电源Uυ瞬 间,电路有一个稳定的过程,即UD通过R对C充电,当电容上的电压Uc上升 到三UD时,比较器A输出为0,将触发器置0。这时Q=1,放电端D通过导通 的三极管接地,电容C两端电压为零。电路进入稳态 当单稳态触发器有触发脉冲信号(即U0”UD,由于 电容两端电压UCUmD,那 么输出就由暂稳状态“1”自动返回稳定状态“0 如果继续有触发脉冲输入,就会重复上面的过程,如图6.10(b)所示。 3.暂稳状态时间(输出脉冲宽度) 暂稳状态持续的时间又称输出脉冲宽度,用l表示。它由电路中电容两端 的电压来决定,可以用三要素法求得≈1.IRC。lw与触发脉冲无关,仅决定于 电路本身的参数。 当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳定状态以后,时间内的其他触发 脉冲对触发器就不起作用;只有当触发器处于稳定状态时,输入的触发脉冲才起 作用。 4.典型应用 1)定时与延时
4 当单稳态触发器无触发脉冲信号时，输入端 Ui=“1”。接通直流电源 UDD 瞬 间，电路有一个稳定的过程，即 UDD通过 R 对 C 充电，当电容上的电压 Uc 上升 到 UDD 3 2 时，比较器 A1 输出为 0，将触发器置 0。这时Q =1，放电端 D 通过导通 的三极管接地，电容 C 两端电压为零。电路进入稳态。 当单稳态触发器有触发脉冲信号（即 Ui=“0”＜ UDD 3 1 时，由于UTR =Ui=“0” ＜ UDD 3 1 ，并且 UTH=0＜ UR1= UDD 3 2 ，则触发器输出由“0”变为“1”，三极管由 导通变为截止，放电端 D 与地断开；直流电源+UDD 通过电阻 R 向电容 C 充电， 电容两端电压按指数规律从零开始增加（充电时间常数τ=RC）；经过一个脉冲 宽度时间，负脉冲消失，输入端 Ui 恢复为“1”，即UTR =Ui=“1”＞ UDD 3 1 ，由于 电容两端电压 UC＜ UDD 3 2 ， 而 UTH=UC＜ UDD 3 2 ， 所以输出保持原状态“1”不 变， 这种状态即是单稳态触发器的暂稳状态。 当电容两端电压 UC≥ UDD 3 2 时， UTH=UC≥ UDD 3 2 ，又有UTR ＞ UDD 3 1 ，那 么输出就由暂稳状态“1”自动返回稳定状态“0”。 如果继续有触发脉冲输入，就会重复上面的过程，如图 6.10（b）所示。 3. 暂稳状态时间（输出脉冲宽度） 暂稳状态持续的时间又称输出脉冲宽度，用 t W 表示。它由电路中电容两端 的电压来决定，可以用三要素法求得 t W ≈1.1RC。t W与触发脉冲无关，仅决定于 电路本身的参数。 当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳定状态以后，t W 时间内的其他触发 脉冲对触发器就不起作用；只有当触发器处于稳定状态时，输入的触发脉冲才起 作用。 4．典型应用 1）定时与延时
单稳态触发器可以构成定时电路;与继电器或驱动放大电路配合,可实现 自动控制、定时开关的功能,一个典型定时电路如图6.11所示 tU I MQ R I MQ D 0.01μ 当电路接通+6V电源后,经过一段时间进入稳定状态,定时器输出OUT为 低电平,继电器KA(当继电器无电流通过时,常开接点处于断路状态)无通过 电流,故形不成导电回路,灯泡HL不亮。当按下按钮SB时,低电平触发端TR (外部信号输入端U)由接+6V电源变为接地,相当于输入一个负脉冲,使电 路由稳定状态转入暂稳状态,输出OUT为髙电平,继电器KA通过电流,使常 开接点闭合,形成导电回路,灯泡H发亮:暂稳定状态的出现时刻是由按钮 SB何时按下决定的,它续游时鬼也是灯亮时间)则是由电路参数决定, 若改变电路中的电阻Rw或中,6、。典型延时电路如图6.12所示,与 定时电路相比,其电路的主区21和电案摇的{置不同。电路中的继电 器KA为常断继电器,二被冒D的作用限糖保护 图6.12延时电路 当开关SA闭合,直流电源接通,555定时器开始工作,若电容初始电压为 零,因电容两端电压不能突变,而UD=Uc+Ug,所以Um=U=UD-UC=Ub
5 单稳态触发器可以构成定时电路；与继电器或驱动放大电路配合， 可实现 自动控制、定时开关的功能，一个典型定时电路如图 6.11 所示。 当电路接通+6 V 电源后，经过一段时间进入稳定状态，定时器输出 OUT 为 低电平，继电器 KA（当继电器无电流通过时，常开接点处于断路状态）无通过 电流，故形不成导电回路，灯泡 HL 不亮。当按下按钮 SB 时，低电平触发端TR （外部信号输入端 Ui）由接+6V 电源变为接地，相当于输入一个负脉冲，使电 路由稳定状态转入暂稳状态，输出 OUT 为高电平，继电器 KA 通过电流，使常 开接点闭合，形成导电回路，灯泡 HL 发亮；暂稳定状态的出现时刻是由按钮 SB 何时按下决定的，它的持续时间 t W（也是灯亮时间）则是由电路参数决定， 若改变电路中的电阻 RW或 C，均可改变 t W。 典型延时电路如图 6.12 所示，与 定时电路相比，其电路的主要区别是电阻和电容连接的位置不同。电路中的继电 器 KA 为常断继电器，二极管 D 的作用是限幅保护。 当开关 SA 闭合，直流电源接通，555 定时器开始工作，若电容初始电压为 零，因电容两端电压不能突变，而 UDD=UC+UR，所以 UTH = UR=UDD－UC=UDD， 8 4 7 6 2 555 3 1 5 R2 RW 10 kΩ 1 MΩ R1 1 MΩ C 0.01 µF SB D KA uo ＋UDD HL － ＋ 220 V ＋6 V 图 6.11 定时电路 ＋UDD 8 4 6 2 3 1 5 0.01 µF 50 µF C SA R 2 MΩ D KA 图 6.12 延时电路
OUr=“0,继电器常开接点保持断开;同时电源开始向电容充电,电容两端电 压不断上升,而电阻两端电压对应下降,当UC≥UD,即Um=Um=U≤UD 时,OUT=“1”,继电器常开接点闭合:电容充电至UC=UD时结束,此时电阻 两端电压为零,电路输出OUT保持为“1”,从开关SA按下到继电器KA闭合这 段时间称为延时时间 2)分频 当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳状态,在此脉冲以后时间l内, 如果再输入其他触发脉冲,则对触发器的状态不再起作用:只有当触发器处于稳 定状态时,输入的触发脉冲才起作用,分频电路正是利用这个特性将高频率信 号变换为低频率信号,电路如图6.13所示 D RI 10k 2000pF 0.01uF 633多谐振荡器 图6.13分频电路 多谐振荡器的功能是产生一定频率和一定幅度的矩形波信号。其输出状态不 断在“1”和“0之间变换,所以它又称为无稳态电路。 1)电路结构 由555定时器构成的多谐振荡器的电路结构如图614(a)所示 (a) 图6.14多谐振荡器及工作波形
6 OUT = “0”，继电器常开接点保持断开；同时电源开始向电容充电，电容两端电 压不断上升，而电阻两端电压对应下降，当 UC≥ UDD 3 2 ，即 UTH=UTR =UR≤ UDD 3 1 时，OUT = “1”，继电器常开接点闭合；电容充电至 UC=UDD时结束，此时电阻 两端电压为零，电路输出 OUT 保持为“1”，从开关 SA 按下到继电器 KA 闭合这 段时间称为延时时间。 2) 分频 当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳状态，在此脉冲以后时间 t W 内， 如果再输入其他触发脉冲，则对触发器的状态不再起作用；只有当触发器处于稳 定状态时， 输入的触发脉冲才起作用，分频电路正是利用这个特性将高频率信 号变换为低频率信号，电路如图 6.13 所示。 6.3.3 多谐振荡器 多谐振荡器的功能是产生一定频率和一定幅度的矩形波信号。其输出状态不 断在“1”和“0”之间变换，所以它又称为无稳态电路。 1) 电路结构 由 555 定时器构成的多谐振荡器的电路结构如图 6.14(a)所示。 8 4 7 6 2 3 1 5 555 R OUT UDD uo 0.01 µF D TH TR R1 R2 C (a) t 2 t 1 UDD o o t t UDD 3UDD 1 U3 DD 2 (b) 图 6.14 多谐振荡器及工作波形 8 4 7 6 2 3 1 5 0.01 µF C2 C1 0.01 µF R2 10 kΩ R1 10 kΩ D C 2000 pF ＋UDD uo( f/n) ui ( f) 图 6.13 分频电路