电子技术应用实验教程：基础实验与555定时器原理

时间：2024-08-30 百科知识版权反馈

【摘要】：图2.2.1阻容耦合电路或微分电路四、实验原理555定时器是一种集模拟电路和数字电路于一身的集成电路，能以简单的方式与数字集成电路直接相连，中间无需转换，被广泛应用于工农业生产、家用电器、科研、仪表、儿童玩具以及安全防护等方面。表2.2.1555定时器功能表（二）555定时器的主要技术参数555时基电路分为双极型和CMOS型两种，两种电路参数的差别在使用时应注意。

2.2.1　基础实验

一、实验目的

1．掌握555定时器的工作原理。熟悉555时基电路逻辑功能的测试方法。

2．掌握用555定时器构成多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的原理和方法。

3．了解定时器555的实际应用。

二、实验仪器与器材

1．双踪示波器一台

2．低频信号源一台

3．直流稳压电源一台

4．万用表一只

5．元器件：NE555、CC4017等

6．“555的应用”实验底板一块、导线若干、其他相关元器件

三、预习要求

1．学习有关555集成定时器的内部组成结构及工作原理。

2．了解555定时器各引脚及其功能以及主要技术参数。

3．掌握555定时器的基本应用电路的工作原理。

4．阅读教材中有关多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器的内容。

5．了解555定时器的实际应用电路。

6．回答预习思考题

（1）根据555定时器的逻辑结构图以及功能表判断，若TH端接小于比较器A₁同相输入端电压的直流信号、端接小于比较器A₂反相输入端电压的直流信号、端接高电平，则输出为什么电平？

（2）在555定时器的逻辑结构图中，基本RS触发器的两个输入端、分别为什么电平时触发器才翻转？、端可否同时为低电平？说明原因。

（3）使555定时器输出低电平“0”有几种方法？举例说明至少两种方法。

（4）分析下面电路的输出与电路参数的关系。若输入信号Vi为频率100Hz的TTL信号，C为0.1μF，R为1kΩ，则输出波形为何种形式？又将Vi为频率改为1MHz，输出波形又为何种形式？

图2.2.1　阻容耦合电路或微分电路

四、实验原理

555定时器是一种集模拟电路和数字电路于一身的集成电路，能以简单的方式与数字集成电路直接相连，中间无需转换，被广泛应用于工农业生产、家用电器、科研、仪表、儿童玩具以及安全防护等方面。其产品有双极型和CMOS型两类，两者的电路工作性能基本相同，CMOS型电路具有更高的输入阻抗。按集成电路内部定时器的个数又可分为单定时器和双定时器；双极型单定时器电路的型号为555，双定时器电路的型号为556，其电源电压的范围为5～18V。CMOS单定时器电路的型号为7555，双定时器电路的型号为7556，将四个定时器电路集成在一个芯片上的四定时器电路的型号为7558，其电源电压的范围为2～18V。CMOS型定时器的最大负载电流要比双极型的小，两种类型的定时器管脚号及其功能均一致。

双极型和CMOS型的555电路在组成结构上有一些区别，下面以双极型单定时器555芯片为例介绍其电路组成及功能。

（一）双极型555定时器的电路结构及其功能

图2.2.2是555定时器内部电路结构框图，图2.2.2（a）中1～8是引脚号。图2.2.2（b）为555定时器外引脚图。555定时器的内部电路可分为5个部分，它们分别是：由3个电阻组成的分压器，两个电压比较器A₁与A₂、一个基本RS触发器、一个放电三极管T、1个反相器G。组成分压器的三个电阻的阻值均为5 kΩ，“555”由此得名。比较器A₁的参考电压为，加在A₁的同相输入端，比较器A₂的参考电压为，加在A₂的反相输入端，这两个参考电压决定了555电路输入端的特性。比较器A₁、A₂的输出端分别接基本RS触发器的输入端，基本RS触发器的输出Q的输出电平与555定时器的输出一致。反相器G₃的作用是提高负载能力，并隔离负载对555定时器的影响，这个特性使555可以直接驱动小型继电器和扬声器等。

图2.2.2　555逻辑电路图和引脚图

各引脚功能如下：

引脚6（TH）为高触发输入端，由此输入触发脉冲时，为高电平触发。在管脚5不外加电压的情况下，当TH端输入电压低于时，比较器A₁输出1；当TH端输入电压高于时，比较器A₁输出0，使RS触发器置0，则此时555定时器输出也为0。

引脚2（）为低触发输入端，由此输入触发脉冲时，为低电平触发。在管脚5不外加电压的情况下，当输入电压TR高于时，比较器A₂输出1；当输入电压TR低于时，比较器A₂输出0，使RS触发器置l，此时55定时器输出也为1。

引脚3（OUT）为输出端，输出电流一般为50mA，最大可达200mA，可直接驱动小型继电器、发光二极管、指示灯、扬声器等。输出高电压约低于电源电压1~3V。

引脚4（）为直接复位端，低电平有效，通常情况下，应为高电平。

引脚5（CO）为电压控制端，若在该端外加一个电压，就可改变比较器的参考电压，高、低触发端的触发电压也随之改变。此端不用时，一般经0.01μF的电容接地，以提高比较器参考电压_R1U和_R2U的稳定性。

引脚7（DIS）为放电端，当555定时器输出为1，即RS触发器的输出Q=1，Q=0时，三极管T截止；定时器输出为0，即Q=0，时，三极管T导通，外接电容即可通过三极管T放电。

引脚8为电源端。

引脚1为接地端。

555定时器的功能表如表2.2.1所示。

表2.2.1　555定时器功能表

（二）555定时器的主要技术参数

555时基电路分为双极型和CMOS型两种，两种电路参数的差别在使用时应注意。

1．电源电压和静电电流

双极型的555电路的电源电压一般为4.5~6V，CMOS型555电路的电源电压一般为3~18V。

静态电流是555空载时的消耗电流，与电路的测试条件有关。在电源电压为15V时，双极型555的静态电流为10mA，而CMOS型555的静态电流为0.12Ma，可见CMOS型555的静态电流相对要小得多，在电源电压相同的情况下，CMOS型555的静态功耗也大大低于双极型。

2．驱动电流

驱动电流是指555电路驱动负载时的工作电流，也称为负载电流。根据555电路的输出状态和与负载的连接方式，可以分为“拉电流”和“灌电流”两种负载的驱动方式。对于双极型CB555，两者的最大值均为200mA，对于CMOS型的CB555，灌电流为5~20mA，拉电流为1~5mA，电流大小与工作电源有关。

3．最高工作频率

最高工作频率是指555用作振荡器使用时，输出正当脉冲所能达到的频率，多数555电路的最高工作频率约为500kHz。

4．放电电流

555电路在用作单稳态电路或者振荡器电路时，7脚的外接电容要随时充放电，当电容放电时，流过放电管的电流为放电电流，对于双极型CB555，放电电流不大于200mA，对于CMOS型的CB555，放电电流为10~50mA，电流大小与工作电源有关。

（三）555定时器的主要使用注意事项

1．如果555集成电路的质量不好，例如高频特性差，则当做为振荡器使用时，工作频率超过10kHz就可能停振；若静态电流太大会造成静态功耗的增大。

2．555内部的比较器能响应20ns的脉冲，为了能有效防止外部干扰所造成的误动作，其5脚对地应接0.01μF的去耦电容，并应安装在引脚最近处。在较高要求时，在直流电源引入线大于10cm时，在8脚对地也应安装去耦电容。

3．触发脉冲的作用可使2脚被驱动至充分接地，使A₂比较器的存储时间可达10μs，这种作用了单稳脉冲的宽度最小值，通常单稳脉冲的宽度最小值不小于10 μs。

4．复位端4脚到输出的延迟时间典型值为0.47μs，所以复位脉冲宽度必须大于等于0.3μs。

5．555电路的7脚是集电极开路输出端，使得门电路的并接成为可能，555电路与TTL电路兼容，但高速使用时需注意内部的延时作用。

（四）555的典型应用电路

1．多谐振荡器

多谐振荡器的特点是：多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态；通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，无需外触发；输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的谐波分量，故称为多谐振荡器。

555电路组成的多谐振荡器用途十分广泛，其产生的矩形脉冲可以作为数字电路的时钟脉冲信号源、作为电源变换器的交流信号源、产生长周期脉冲时还可作为定时器的时基信号源等。

如图2.2.3（a）所示，由555定时器和外接元件R₁、R₂、C组成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连，通过电容C接地。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R₁、R₂向C充电，以及C通过R₂向放电端放电，使电路产生振荡。

图2.2.3　多谐振荡器

其工作过程如下：

接通电源时，电容器C初始电压，555定时器输出0V为高电平，三极管T截止，电源经R₁、R₂开始对电容C充电。电容上的电压开始升高。(www.xing528.com)

当时，R=0，S=1，定时器输出V₀为低电平，三极管T导通，电容C经R₂和三极管T放电。电容上的电压开始下降

当时，又使，定时器输出0V为高电平，三极管T截止，电源经R₁，R₂开始对电容C充电。

如此周而复始，输出矩形脉冲序列，在图2.2.3（b）中，给出了相应的输出波形，T_W1是电容C从充电至所需的时间，T_W2是电容C从放电至所需的时间。注意此图中的电容端电压Vc波形中忽略了电容上电压由0V开始充电到的初始充电时间。起振后的周期为T，由T_W1和T_W2构成，由于充电电阻为R₁+R₂，相应的充电时间常数为（R₁+R₂）C；放电电阻约为R₂，相应的放电时间常数为R_2C，因此此电路的充放电时间常数是不相等的，输出的波形是占空比大于50%的矩形波，若想输出方波此电路则不能满足要求。只有将充放电回路分开则才可以产生不同占空比的矩形波。

图2.2.3输出信号的周期

输出信号的占空比

外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此这种形式的多谐振荡器常用作时钟脉冲发生器。

2．用555定时器构成单稳态触发器

单稳态电路是指电路只有一个稳定状态，另一个状态为不稳定状态或称为暂稳定状态，当用信号触发时，使它进入暂稳态，经过一定时间后又自动恢复成稳态。

图2.2.4　单稳态触发器

图2.2.4（a）所示为由555定时器和外接定时元件R、C构成的脉冲启动式单稳态触发器。将电路的6脚、7脚连在一起接入RC电路，将2脚单独用作启动端，电路的启动过程是将一个负脉冲作为触发信号加在2脚上，因此称为脉冲启动式单稳态触发器。此电路的稳态为“0”，暂态为“1”。

其工作过程如下：

输入端电路由C₁、R₁、R₂组成，适当选取R₁、R₂，接通电源，未加触发信号时，，这时。若触发器初始状态为0，则三极管T导通，V_C≈0，，电路处于稳态，输出V_o=0，为低电平。若触发器初始状态为1，则三极管T截止，V_CC经电阻R对电容C充电，当时，，使触发器输出Q=0，，三极管T迅速放电，，电路进入稳态，输出V₀为低电平。也就是说，无论触发器状态如何，未加触发脉冲时，电路始终为稳态，使输出V₀为低电平。

当负脉冲触发信号在2脚出现时，使，使，触发器置1，输出V₀为高电平，三极管T截止，电容C开始充电，电路进入暂稳态。当充电一定时间后电容电压上升到时（电路上，需保证在此之前，已提前回到了超过，的情况），，使触发器输出Q=0，，三极管T速放电，，电路自动回到稳态，输出V₀为低电平。

图2.2.4（b）为该单稳态触发器的工作波形。暂稳态持续的时间t_W就是电容C从0充电至所需时间，由外接电阻、电容的大小决定。RC电路零状态响应为

式中：RC=τ。

将代入上式，可得脉冲宽度

调整外接电阻R、电容C的值，可调整输出的正脉冲宽度t_W，从而可用于定时控制，可直接驱动小型继电器，并可以使用复位端（4脚）接低电平的方法来中止暂态，重新计时。注意图2.2.4中，暂稳态持续的时间t_W时间后是电容的放电时间，图中显示出了放电的过程实际上由于放电时间常数是由电容C和非常小的放电管导通电阻的乘积决定的，放电时间非常短，所以可以忽略不计，实际测量中会看到电容上的电压近似直接由变为0V。

单稳态触发器分为不可重复触发的单稳态触发器和可重复触发的单稳态触发器。不可重复触发的单稳态触发器在暂稳态期间，外界的触发信号不再起作用，只有在暂稳态结束后，才能接受触发信号。可重复触发的单稳态触发器，在电路的暂稳态期间，加入一个新的触发脉冲，会使暂稳态延续，如果下一个触发脉冲与新触发脉冲的时间间隔超过暂稳态持续时间t_W，那么，延续的时间为原触发脉冲与新触发脉冲的间隔时间，否则，暂稳态会一直延续下去，直到后一个触发脉冲与前一个触发脉冲相距的时间间隔超过暂稳态持续时间t_W，电路才返回稳态。

图2.2.4中所示电路，当电路被触发进入暂态后，对触发端2脚再加入触发脉冲，电路也不会发生任何状态的改变，所以是不可重复触发的单稳态触发器。

图2.2.4中所示电路，输入端电路由C₁、R₁、R₂组成了微分电路，它将输入的触发脉冲V_i微分后加入电路的触发端2脚，对电路的输入端加上低电平后，微分电路将V_i变为窄脉冲V_i’，将电路触发完后2脚电压很快发生翻转变为高电平，使电路的触发更可靠。使用时需注意对微分电路参数的选择，微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。而对恒定部分则没有输出。输出的尖脉冲波形的宽度与R×C有关（即电路的时间常数），R×C越小，尖脉冲波形越尖，反之则宽。此电路的R×C必须远远少于输入波形的宽度，否则就失去了波形变换的作用，变为一般的RC耦合电路了，一般R×C少于或等于输入波形宽度的1/10就可以了。

3．施密特触发器

电路如图2.2.5（a）所示，只要将脚2、6连在一起作为信号输入端，即得到施密特触发器。施密特触发器是双稳态电路的一种。通过不同的触发电平使输出端发生翻转。

图2.2.5　施密特触发器

为了提高触发灵敏度，电路中引入R₁、R₂和C₁。注意此处R₁、R₂和C₁起到的作用是阻容耦合电路，将输入信号中的直流成分滤去，为输入交流信号重新叠加一个直流成分后再送入施密特触发器电路的输入端2脚和6脚,即Vi’端。

设被整形变换的电压为正弦波V_i，经C₁、R₁、R₂加到555定时器的2脚和6脚变为信号。其工作过程如下：