了解555定时器及其应用

1.555定时器介绍

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5～16V之间工作，7555可在3～18V之间工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或模拟电路电平兼容。

(1)引脚图

555定时器的集成电路引脚图如图6-1所示，各引脚功能如下。

1脚(GND)：接地端。

2脚低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲，简称低触发。

3脚(OUT)：输出端，输出的高电压约低于电源电压1～3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、扬声器和指示灯等。

图6-1 555定时器电路引脚图

4脚直接清零端，当端接低电平时，时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端使用时应接高电平。

5脚(CO)：电压控制端，平时输出作为比较器C1的参考电平，如果5脚外接一个输入电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，从而可实现对输出的另一种控制。当该端不用时，通常接一个0.01μF电容接地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。

6脚(TH)：高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲，简称高触发。

7脚(D)：放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管VT导通，外接电容元件通过VT放电。

8脚(VCC)：电源端，双极型时基电路VCC的范围为+5～+15V，CMOS型时基电路VCC的范围为+3～+18V，一般用+5V。

(2)电路结构

555定时器由分压器、比较器、基本RS触发器和放电三极管等部分组成，其内部电路图如图6-2所示。分压器由3个5kΩ的等值电阻串联而成。分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为加在同相输入端，比较器C2的参考电压为加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器端的输入信号;低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器端的输入信号。基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。

图6-2 555定时器的内部电路

(3)逻辑功能

当高电平触发端(TH)的电压大于时，写为VTH=1;当高电平触发端(TH)的电压小于时，写为VTH=0。当低电平触发端的电压大于时，写为VTR=1;当低电平触发端的电压小于时，写为VTR=0。

555定时器有“低触发”“高触发”和“保持”3种基本状态，现分析如下。

①当2脚低电平触发端输入电压小于且6脚高电平触发端输入电压小于VCC时，即当VTR=0、VTH=0时，比较器C2输出为低电平，C1输出为高电平，基本RS触发器的输入端使经输出反相缓冲期后，OUT=1，VT截止。这时555定时器为“低触发”状态。

②若2脚低电平触发端输入电压大于且6脚高电平触发端输入电压小于则基本RS触发器的输出状态保持不变，OUT和VT状态不变，这时555定时器为“保持”状态。

③若6脚高电平触发端输入电压大于则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出哪种电平，基本RS触发器因R=0，使经输出反相缓冲器后OUT=0、VT导通。这时555定时器为“高触发”状态。

CO为控制电压端，在CO端加入电压，可改变两个比较器C1、C2的参考电压。正常工作时，要在CO和地之间接0.01μF(电容量标记为103)电容。放电管VT的输出端为集电极开路输出。综合上述的分析，可得到555定时器的功能，如表6-1所示。

表6-1 555定时器的功能表

2.555定时器的应用

(1)555施密特触发器

施密特触发器是一种特殊的双稳态电路。它主要依赖外加触发信号来维持两个稳定状态，电路从一个稳态转换到另一个稳态是依靠外加信号电位的高低来触发的，一旦外触发信号降到一定电平以下，电路立即恢复到初始的稳定状态，没有记忆功能。用555定时器构成施密特触发器很简单，其工作原理也很简单，所以在实际应用中得到广泛应用。

1)电路组成

电路组成如图6-3(a)所示，只要将555的2脚和6脚连在一起作为信号输入端，即得到施密特触发器，简记为“二六搭”。

图6-3 555电路构成施密特触发器

2)工作原理

假定输入的触发信号ui为三角波，工作波形如图6-3(b)所示，根据输入波形分析电路的工作过程如下。

①设输入电压ui为低电平根据555定时器的功能表可知，555定时器的输出为高电平。

②当ui的电压逐渐升高到时，555定时器的输出状态保持不变。

③当ui继续上升到时，555定时器的状态发生翻转，跳变成低电平。此时，对应的输入电压为这个施密特触发器的正向阈值电压，正向阈值电压为UT+=。

④输入电压ui继续增大，555定时器仍然处于低电平。输入电压ui增到最高点后逐渐下降，当时，定时器的输出状态保持不变，输出仍然为低电平。

⑤当输入电压下降到时，电路状态又一次发生翻转，输出重新跳变成高电平，又返回到刚开始讨论的情况。从这里可以看出，施密特触发器的负向阈值电压为。

回差电压为

上述讨论的是在555定时器的5脚CO端没有外接控制电压的情况下得出的，如果在电压控制端(CO)外接控制电压，则可以改变比较器C1和C2的参考电压，从而可以方便地调节施密特触发器的正向阈值电压、负向阈值电压及回差电压的大小。(www.xing528.com)

施密特触发器的电路符号如图6-4所示。

图6-4 施密特触发器的电路符号

3)施密特触发器的应用

①波形变换。根据施密特触发器的特点，可以将输入的三角波、正弦波，变换为理想矩形脉冲信号，如图6-3(b)所示。

②波形整形。施密特触发器可以把不规则的输入信号整形成为规则的矩形脉冲，如图6-5所示。

图6-5 施密特触发器的波形整形

③信号鉴幅。在施密特触发器输入端输入不同幅度的信号，只有输入信号幅度达到UT+或UT-时，才能使电路状态发生变化，在输出端产生脉冲信号，如图6-6所示。

图6-6 施密特触发器的信号鉴幅

(2)555单稳态触发器

单稳态触发器是一个具有一个稳态和一个暂稳态的电路。在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，暂稳状态保持一段时间后，自动返回到稳态。暂稳态保持时间的长短取决于电路本身的参数，与外界所加触发脉冲的宽度和幅度无关。

由于单稳态触发器具备这些特点，被广泛应用于脉冲整形、延时及定时等。下面介绍由555构成的单稳态触发器。

1)电路组成

电路组成如图6-7(a)所示，在555定时器的2脚加输入信号，将6脚和7脚连在一起，并添加一个电阻R和一个电容C，就可以构成单稳态触发器。从图6-7中可以看出，电阻R接在电源与6、7脚之间，电容接在6、7脚与地之间，可以简记为“六七搭，上R下C”。

图6-7 555定时器构成单稳态触发器

2)工作原理

当没有触发脉冲输入时，单稳态触发器处于稳态;当有触发脉冲时，单稳态触发器将从稳态变为暂稳态，暂稳态在保持一定时间后，能够自动返回到稳定状态。必须注意：触发脉冲必须是窄脉冲，要比暂稳态的时间tW还要短;否则触发作用始终存在，输出将不会在uC达到时返回到低电平。单稳态触发器的具体工作过程如下。

稳态时555定时器电路输入端处于电源电平，内部放电开关管VT导通，输出端uo输出低电平。当外部负脉冲触发信号加到ui端，并使555定时器的2脚电位瞬时低于定时器内部低电平比较器C2输出变为0，因6脚电容电压uC低于所以放电开关管VT截止，单稳态电路即开始一个暂稳态过程，电容C开始充电，uC按指数规律增长。当uC充电到时，高电平比较器C1动作，比较器C1翻转，输出uo从高电平返回低电平，放电开关管VT重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂稳态结束，恢复稳定状态，为下一次触发脉冲的到来做好准备。电路工作波形图如图6-7(b)所示。

暂稳态过程的持续时间tW(即为延时时间)决定于外接元件R、C的大小。

通过改变R、C的大小，可改变暂稳态过程的持续。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。

3)555多谐振荡器

①电路组成

由555构成的多谐振荡器，简称555多谐器，电路组成如图6-8(a)所示。该电路除了具有施密特触发器的“二六搭”特点外，又增加了电阻R1、R2和C。R1和555定时器内部的放电管VT构成了一个反相器。逻辑上，这个反相器的输出与555定时器的输出完全相同。因此，这个施密特触发器有两个输出端，分别为555定时器的3脚和7脚。从图6-8(a)中可以看出，电阻R2和电容C构成了RC积分电路，施密特触发器的一个输出端(7脚)接在RC积分电路的输入端，这样就组成了一个555多谐器，而施密特触发器的另一个输出端(3脚)专门作为555多谐器的输出。

图6-8 555定时器构成多谐振荡器

②工作原理

该电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，不需要外接触发信号能自动产生矩形波。555多谐器利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端(定时器555的7脚)放电，使电路产生振荡。电容C在之间充电和放电，从而在输出端得到矩形波输出，其工作波形图如图6-8(b)所示。输出信号的振荡周期为

其中，tWH为uC由所需的时间，tWL为电容C放电所需的时间。

由上面的分析可知，要想得到正负脉宽相等的矩形波，即tWL=tWH，则需满足条件R2≫R1，还可以通过调节R1、R2来调节多谐振荡器输出矩形波的占空比。

555电路要求R1与R2均应不小于1kΩ，但两者之和应不大于3.3MΩ。

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功率输出的能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。

③占空比可调的555多谐振荡器

占空比可调的555多谐振荡器如图6-9所示。二极管VD1、VD2使电容充、放电电流路径不同，充电时VD1导通，VD2截止;放电时VD2导通，VD1截止。

占空比q为

可见，若通过调节RW使得R1+RW1=R2+RW2，则电路可输出占空比为50%的方波信号。

图6-9 占空比可调的多谐振荡器