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  • 论述了常用555 定时器构成的施密特触发器电路的局限性, 给出了施密特触发器的改进电 路, 并用理论实验加以证明验证。
  • 利用555定时器可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。 图6.5.2 用555定时器接成的施密特触发器 图6.5.3 图6.5.2电路的电压传输特性 只要将555定时器的2号脚和6号脚接在一起,就可以构成施密特...
  • 555定时器内部框图555集成时基电路称为集成定时器,是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路,其应用十分广泛。该电路使用灵活、方便,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器,因而广泛用于信号...

    555定时器内部框图

    555集成时基电路称为集成定时器,是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路,其应用十分广泛。该电路使用灵活、方便,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器,因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。它的内部电压标准使用了三个5K的电阻,故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类,两者的工作原理和结构相似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556;所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556,两者的逻辑功能和引脚排列完全相同,易于互换。555和7555是单定时器,556和7556是双定时器。双极型的电压是+5V~+15V,输出的最大电流可达200mA,CMOS型的电源电压是+3V~+18V。

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    图8-1 555定时器内部框图

    555电路的工作原理

    555电路的内部电路方框图如图8-1所示。它含有两个电压比较器,一个基本RS触发器,一个放电开关T,比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压,它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为

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    。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过

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    时,触发器复位,555的输出端3脚输出低电平,同时放电,开关管导通;当输入信号自2脚输入并低于

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    时,触发器置位,555的3脚输出高电平,同时放电,开关管截止。

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    是复位端,当其为0时,555输出低电平。平时该端开路或接VCC。

    Vc是控制电压端(5脚),平时输出

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    作为比较器A1的参考电平,当5脚外接一个输入电压,即改变了比较器的参考电平,从而实现对输出的另一种控制,在不接外加电压时,通常接一个0.01uf的电容器到地,起滤波作用,以消除外来的干扰,以确保参考电平的稳定。

    T为放电管,当T导通时,将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

    555定时器的典型应用

    (1)构成单稳态触发器

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    图8-2 555构成单稳态触发器

    上图8-2为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。D为钳位二极管,稳态时555电路输入端处于电源电平,内部放电开关管T导通,输出端Vo输出低电平,当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。并使2端电位瞬时低于

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    ,低电平比较器动作,单稳态电路即开始一个稳态过程,电容C开始充电,Vc按指数规律增长。当Vc充电到

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    时,高电平比较器动作,比较器A1翻转,输出Vo从高电平返回低电平,放电开关管T重新导通,电容C上的电荷很快经放电开关管放电,暂态结束,恢复稳定,为下个触发脉冲的来到作好准备。波形图见图8-3。

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    暂稳态的持续时间Tw(即为延时时间)决定于外接元件R、C的大小。

    Tw=1.1RC

    通过改变R、C的大小,可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。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。此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接,以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。

    (2)构成多谐振荡器

    如图8-4,由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器,脚2与脚6直接相连。电路没有稳态,仅存在两个暂稳态,电路亦不需要外接触发信号,利用电源通过R1、R2向C充电,以及C通过R2向放电端

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    放电,使电路产生振荡。电容C在

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    之间充电和放电,从而在输出端得到一系列的矩形波,对应的波形如图8-5所示。

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    图8-4 555构成多谐振荡器 图8-5 多谐振荡器的波形图

    输出信号的时间参数是: T=

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    =0.7(R1+R2)C

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    =0.7R2C

    其中,

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    为VC

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    上升到

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    所需的时间,

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    为电容C放电所需的时间。

    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的功率输出能力。因此,这种形式的多谐振荡器应用很广。

    (3)组成占空比可调的多谐振荡器

    电路如图8-6,它比图8-4电路增加了一个电位器和两个引导二极管。D1、D2用来决定电容充、放电电流流经电阻的途径(充电时D1导通,D2截止;放电时D2导通,D1截止)。

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    图8-6 555构成占空比可调的多谐振荡器

    占空比

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    可见,若取

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    ,电路即可输出占空比为50℅的方波信号。

    (4)组成施密特触发器

    电路如图8-7所示,只要将脚2和6连在一起作为信号输入端,即得到施密特触发器。图8-8画出了

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    、Vi和Vo的波形图。

    设被整形变换的电压为正弦波

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    ,其正半波通过二极管D同时加到555定时器的2脚和六脚,得到的Vi为半波整流波形。当Vi上升到

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    时,Vo从高电平转换为低电平;当Vi下降到

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    时,Vo又从低电平转换为高电平。

    回差电压:

    △V=

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    图8-7 555构成施密特触发器 图8-8 555构成施密特触发器的波形图

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  • 本文扼要地分析了555定时器的基本原理,应用PSPICE对555定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的工作特性进行了仿真分析和研究, 给出555定时器电路分析的方法,阐明了仿真软件在电路分析与设计中的...
  • 555定时器及其应用

    2009-06-18 10:27:59
    2. 掌握使用555定时器组成施密特触发器的方法 3. 掌握使用555定时器组成单稳态触发器的方法,定时元件RC对脉冲宽度的影响。 4. 掌握使用555定时器组成自激多谐振荡器的方法定时元件RC对振荡周期脉冲宽度的...
  • 本文利用OrCAD/PSpice 10.5对555定时器构成的单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器的特性进行了仿真分析。
  • 电子设计教程53:555定时器工作原理与常见应用

    千次阅读 多人点赞 2020-07-27 22:18:54
      555定时器是一种多用途的数字、模拟混合集成电路,利用它能很方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便,更重要的是,它很便宜,批量成本不到5毛钱,所以555定时器在电子玩具、...

      555定时器是一种多用途的数字、模拟混合集成电路,利用它能很方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便,更重要的是,它很便宜,批量成本不到5毛钱,所以555定时器在电子玩具、家用电器等许多领域中都得到了广泛应用。

    555定时器原理

      有很多芯片厂家都生产了自己的555定时器产品。尽管产品的型号繁多,但最后三位都是“555”。一般来说,多数555定时器的功能与外部引脚的排列都完全相同。
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

      以NE555为例,它包含3个5K电阻,可以把电源电压分成3等份。3个5K电阻便是555定时器名称的由来。为了方便描述,我们把2个参考电压分别命名为VH与VL。如果第5脚CONT没有外接固定电压Vco,则VH=2/3Vcc,VL=1/3Vcc;否则VH=Vco,VL=Vco/2。
      它还包含2个比较器,C1与C2,此处的C是比较器comparator的缩写,并不是电容。为了方便描述,我们称C1的输出电压为Vc1,C2的输出电压为Vc2。第6脚THRES接输入IN1,第2脚TRIG接输入IN2。比较器用于判断各自的输入电压与参考电压的大小。
      比较器后边接RS触发器。其中第4脚RESET是触发器的复位,如果RESET接低电平,那么芯片的输出也是低电平。
      RS触发器后接放电三极管Q,如果Q导通,相当于把第7脚DISCH接到GND上。触发器之后还有一个缓冲器G,作用是提高电路的带负载能力,让555的第3脚OUT能够输出较大的电流。
      一般情况下,讲述555定时器的时候都要提到内部的各个器件的工作逻辑,比如RS触发器的原理:当R有效的时候,RS触发器输出低电平;S有效的时候,RS触发器输出高电平;RS触发器输出高电平的时候,三极管导通。但这种理解方式,会多绕很多弯,比如Vc1=0且Vc2=1时,相当于S有效,RS触发器会输出高电平,然而芯片最终的输出却是低电平,与RS触发器的逻辑相反。因此不如不要强调内部器件的工作逻辑,直接根据输入查表,判断输出。
    在这里插入图片描述

    555定时器接成施密特触发器

      对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号,施密特触发器有不同的阈值(门限)电压。
      将555定时器的2个输入端接到一起,作为1个新的输入端,即可得到施密特触发器。有时为了提高电路的稳定性,会在CONT接滤波电容。先不接外部的参考电压,则VH=2/3Vcc,VL=1/3Vcc。设输入信号为Vi。首先分析Vi从0开始逐渐升高的过程:
    1.Vi<VL<VH,Vc1=0 ,Vc2=1 ,查表可知,OUT=1;
    2.VL<Vi<VH,Vc1=0 ,Vc2=0 ,OUT不变,还是1;
    3.VL<VH<Vi,Vc1=1 ,Vc2=1 ,OUT=0;
      此后Vi继续增大,输出也不会变化,所以分析Vi从大于VH开始下降的过程:
    4.VL<Vi<VH,Vc1=0 ,Vc2=0 ,OUT不变,但这次是0;
    5.Vi<VL<VH,Vc1=0 ,Vc2=1 ,OUT=1。
    在这里插入图片描述

    555定时器用作单稳态触发器

      所谓的单稳态,就是一个稳定状态的意思。假设最终的输出稳定为低电平,虽然在外界条件的影响下,输出可以变为暂稳态,即暂时变为高电平,但最终还是变成低电平。用单稳态的特性可以设计一个延时关闭的灯,假设灯按下去以后,不会立刻关闭,而是延时一段时间再关闭,且延时的这段时间可以自行设置。
      将555定时器与RC串联形成的延时环节结合起来,可以做成单稳态触发器。把IN2作为触发信号的输入端,使用按键K1来模拟控制信号,默认情况下IN2为高电平,K1按下去的时候IN2变为低电平。将电阻R1与电容C1串联在Vcc与GND之间,阻容连接的一点接IN1与555内置的三极管集电极。输出端使用2个LED来指示电路的输出电平。构成单稳态触发器如下:
    在这里插入图片描述

      假设电路板安全上电以后,按键K1没有按下(IN2=Vcc),此时555的输出不好判断,因此可以分情况讨论。

    1. 假设555输出低电平。如果电容C1内储存有电荷,会通过已经导通了的三极管快速释放掉,所以IN1=0<VH,IN2=Vcc>VL,根据功能表,此时555的输出将保持上一个状态不变,所以这是一种稳定的状态。
    2. 假设555输出高电平。此时三极管截止,则Vcc通过电阻向电容充电,当电容的电压IN1>VH的时候,已知IN2>VL,所以555输出低电平,三极管导通,回到上一种状态。因此高电平是暂稳态,它持续的时间就是电容从开始充电,到电压大于VH的用时。
        在没有触发信号的时候,555输出低电平的状态将稳定不变。如果触发脉冲的下降沿到达IN2,那么IN2<VL,同时由于IN1<VH,结果是555输出高电平,三极管截止,变成暂稳态,持续一段时间后变为稳态。
        输出信号中,高电平持续的时间,就是暂稳态持续的时间,也是电容充电到VH所用的时间。这个时间可以结合RC充放电的关系计算出来,大约为1.1倍的时间常数。
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      以下是波形的实测,黄色是电容上的电压,蓝色是输出电压,当按下按键以后,输出高电平,电容开始充电。电容充电到一定的程度以后,输出低电平,电容放电。
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    555定时器用作多谐振荡器

      多谐振荡器是一种自激振荡器。在接通电源以后,不需要外加触发信号,便能自动产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量,所以习惯上由将矩形波的振荡器称为多谐振荡器(也有资料称之为非稳态模式)。之前用施密特触发器实现了矩形波发生电路,既然555定时器可以作为施密特触发器,在此基础上,改成多谐振荡器并不困难。接下来用多谐振荡器做一个交替闪烁的双色灯。
      首先,把IN1与IN2连接到一起,先做出施密特触发器。
    然后,仍然以电容的电压作为输入信号,并想办法把电容的电压会维持在施密特触发器的2个阈值之间。把555的输出连接到电容上,则输出高电平的时候为电容充电,输出低电平的时候让电容放电。不过实际应用中,为了减轻555定时器的负担,用Vcc为电容充电,通过放电三极管来使电容放电。 当三极管通过电阻连接Vcc时,三极管的集电极(555定时器的第7脚)的电平与555的输出其实一样。
    在这里插入图片描述

      接下来分析电容电压与555定时器输出端关系。设电容电压为Vi。首先分析Vi从0开始逐渐升高的过程:
    1.Vi<VL<VH,Vc1=0 ,Vc2=1 ,OUT=1,三极管截止,Vcc通过R1与R2为电容充电,Vi逐渐升高。
    2.VL<Vi<VH,Vc1=0 ,Vc2=0 ,OUT不变,还是1,电容继续充电,Vi继续升高。
    3.VL<VH<Vi,Vc1=1 ,Vc2=1 ,OUT=0,三极管导通,电容通过R2与导通了的三极管放电,Vi逐渐降低。
    4.VL<Vi<VH,Vc1=0 ,Vc2=0 ,OUT不变,但这次是0,电容继续放电,Vi继续降低。
    5.Vi<VL<VH,Vc1=0 ,Vc2=1 ,OUT=1,回到状态1,循环往复。
      通过以上分析可以看出,电容上的电压将在VH与VL之间反复振荡,555定时器的输出在电容充电期间为高电平,在电容放电期间为低电平。
      当电容充电时,电阻值为R1+R2。电容放电时,电阻值为R2,充放电时间与电阻的阻值成正比,所以,此电路的占空比始终大于50%。如果希望得到小于或者等于50%的占空比,可以利用二极管的单向导电性,使得充电与放电经过不同的路径。如下图改进电路:
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      充电时间T1正比于W1×C1(忽略二极管的电阻,应用一阶RC电路三要素法可以算出T1= W1×C1×ln 2),放电时间T2正比于W2×C1(T2= W2×C1×ln 2),输出脉冲的占空比为:
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      如果W1=W2,那么电路的占空比就是50%。调节W1与W2的大小,也可以改变电路的振荡周期。
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      以下是输出波形实测。
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      把电路的输出端接LED,当改变电路的占空比时,LED亮起来的时间会改变。由于人的眼睛有视觉暂留,如果电路的振荡频率非常高,可以做成亮度可调的LED灯。

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  • 555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件,它性能优良,适用范围很广,外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器,以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时...
  • 555定时器内部框图 555集成时基电路称为集成定时器,是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路,其应用十分广泛。该电路使用灵活、方便,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器,因而广泛...
  • 首先看 7 是否悬空,如果悬空,则是作为施密特触发器;没有悬空,而是一条路通过一个电阻连接到 VCCV_{CC}VCC​,另一条路直接连着一个电容或通过一个电阻连接着电容,则是作为单稳态电路多谐振荡电路。 判断为单...

    引脚图

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    用法判断

    如果不需要自定义回差电压,5 引脚都通过 0.01uF 的电容接地,用来滤波,抗干扰。所以 5 不影响 555 定时器的用法

    1. 首先看 7 是否悬空,如果悬空,则是作为施密特触发器;没有悬空,而是一条路通过一个电阻连接到 VCCV_{CC},另一条路直接连着一个电容或通过一个电阻连接着电容,则是作为单稳态电路和多谐振荡电路。
    2. 判断为单稳态电路或多谐振荡电路后,再看 2 和 6 引脚是否连在一起,如果 2 和 6 连在一起,直接接到电容上方(不能通过电阻接到电容上方,因为接受比较的是电容上的电压,不是电阻上的电压。),则是作为多谐振荡电路,如果 2 是悬空的,只有 6 直接接到电容上方,则是单稳态电路。

    作为单稳态电路时

    作为单稳态电路时,2 引脚是悬空的,用来输入低电平的触发信号。6 引脚直接接到电容上方,用来比较电容电压,7 引脚直接接到电容上方,不经过电阻,用来使电容快速放电。

    作为多谐振荡电路时

    作为多谐振荡电路时,2 和 6 连接在一起,直接接到电容上方。7 引脚就有讲究了,7 是用来给电容放电的,想要波形有负半周期,或者负半周期长一点,就不能让 7 不通过电阻直接接到电容上方,避免放电过快。而接不同的电阻决定了振荡周期。7 要通过一个电阻接到电容上方,电容放电时电流向上流过电阻,流入 7,然后流入地。

    振荡周期这里不讨论了,看另外一篇文章

    接线图

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  • 555定时器内部框图555集成时基电路称为集成定时器,是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路,其应用十分广泛。该电路使用灵活、方便,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器,因而广泛用于信号...

    555定时器内部框图

    555集成时基电路称为集成定时器,是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路,其应用十分广泛。该电路使用灵活、方便,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器,因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。它的内部电压标准使用了三个5K的电阻,故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类,两者的工作原理和结构相似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556;所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556,两者的逻辑功能和引脚排列完全相同,易于互换。555和7555是单定时器,556和7556是双定时器。双极型的电压是+5V~+15V,输出的最大电流可达200mA,CMOS型的电源电压是+3V~+18V。

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    图8-1 555定时器内部框图

    555电路的工作原理

    555电路的内部电路方框图如图8-1所示。它含有两个电压比较器,一个基本RS触发器,一个放电开关T,比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压,它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为

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    。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过

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    时,触发器复位,555的输出端3脚输出低电平,同时放电,开关管导通;当输入信号自2脚输入并低于

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    时,触发器置位,555的3脚输出高电平,同时放电,开关管截止。

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    是复位端,当其为0时,555输出低电平。平时该端开路或接VCC。

    Vc是控制电压端(5脚),平时输出

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    作为比较器A1的参考电平,当5脚外接一个输入电压,即改变了比较器的参考电平,从而实现对输出的另一种控制,在不接外加电压时,通常接一个0.01uf的电容器到地,起滤波作用,以消除外来的干扰,以确保参考电平的稳定。

    T为放电管,当T导通时,将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

    555定时器的典型应用

    (1)构成单稳态触发器

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    图8-2 555构成单稳态触发器

    上图8-2为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。D为钳位二极管,稳态时555电路输入端处于电源电平,内部放电开关管T导通,输出端Vo输出低电平,当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。并使2端电位瞬时低于

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    ,低电平比较器动作,单稳态电路即开始一个稳态过程,电容C开始充电,Vc按指数规律增长。当Vc充电到

    3a8112699204fc12c3b7ed3fb889dc35.gif

    时,高电平比较器动作,比较器A1翻转,输出Vo从高电平返回低电平,放电开关管T重新导通,电容C上的电荷很快经放电开关管放电,暂态结束,恢复稳定,为下个触发脉冲的来到作好准备。波形图见图8-3。

    4cabb123747b6cb47ce81572de5b40b1.gif

    暂稳态的持续时间Tw(即为延时时间)决定于外接元件R、C的大小。

    Tw=1.1RC

    通过改变R、C的大小,可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。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。此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接,以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。

    (2)构成多谐振荡器

    如图8-4,由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器,脚2与脚6直接相连。电路没有稳态,仅存在两个暂稳态,电路亦不需要外接触发信号,利用电源通过R1、R2向C充电,以及C通过R2向放电端

    1aba89c6f3916feea378ca2fdf9a96db.gif

    放电,使电路产生振荡。电容C在

    3a8112699204fc12c3b7ed3fb889dc35.gif

    cafa1038e28bdd75937eaa108b3fe7d8.gif

    之间充电和放电,从而在输出端得到一系列的矩形波,对应的波形如图8-5所示。

    9baaffbbc44326801921cb8421eea5cb.gif

    图8-4 555构成多谐振荡器 图8-5 多谐振荡器的波形图

    输出信号的时间参数是: T=

    252ebc2a5a66f2eca264fca1054c4acf.gif
    d0bb9e10ec8b6dd8eac1cfe04ba1619e.gif

    =0.7(R1+R2)C

    e7d5cfea2a35038c6d6d597ed70727c0.gif

    =0.7R2C

    其中,

    d0bb9e10ec8b6dd8eac1cfe04ba1619e.gif

    为VC

    cafa1038e28bdd75937eaa108b3fe7d8.gif

    上升到

    3a8112699204fc12c3b7ed3fb889dc35.gif

    所需的时间,

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    为电容C放电所需的时间。

    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的功率输出能力。因此,这种形式的多谐振荡器应用很广。

    (3)组成占空比可调的多谐振荡器

    电路如图8-6,它比图8-4电路增加了一个电位器和两个引导二极管。D1、D2用来决定电容充、放电电流流经电阻的途径(充电时D1导通,D2截止;放电时D2导通,D1截止)。

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    图8-6 555构成占空比可调的多谐振荡器

    占空比

    2ecd1aecba8bf0dff1063f0bf9650952.gif

    可见,若取

    5f8a00e92ab9badb1a5da3f59b4aefa1.gif

    ,电路即可输出占空比为50℅的方波信号。

    (4)组成施密特触发器

    电路如图8-7所示,只要将脚2和6连在一起作为信号输入端,即得到施密特触发器。图8-8画出了

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    、Vi和Vo的波形图。

    设被整形变换的电压为正弦波

    d9b3eab8ab607565bf7a47aec71f8028.gif

    ,其正半波通过二极管D同时加到555定时器的2脚和六脚,得到的Vi为半波整流波形。当Vi上升到

    3a8112699204fc12c3b7ed3fb889dc35.gif

    时,Vo从高电平转换为低电平;当Vi下降到

    cafa1038e28bdd75937eaa108b3fe7d8.gif

    时,Vo又从低电平转换为高电平。

    回差电压:

    △V=

    1bdbe1bc2b471d1651e9bceb8ad16eeb.gif
    22d584ffd7a62940ddfebebf7b08f440.png

    图8-7 555构成施密特触发器 图8-8 555构成施密特触发器的波形图

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施密特触发器和555定时器