555时基电路的研究与应用

0 引言
    555时基电路是一种双极型的时基集成电路，工作电源为4．5v～18v，输出电平可与TTL、CMOS和HLT逻辑电路兼容，输出电流为200mA，工作可靠，使用简便而且成本低，可直接推动扬声器、电感等低阻抗负载，还可以在仪器仪表、自动化装置及各种电器中作定时及时间延迟等控制，可构成单稳态触发器、无稳态多谐振荡器、脉冲发生器、防盗报警器、电压监视器等电路，应用及其广泛。

1 555时基电路的内部结构
    国产双极型定时器CB555的电路结构如图l所示。它由分压器、电压比较器C1和C2、SR锁存器、缓冲输出器和集电极开路的放电三极管TD组成。

1．1 电压比较器
    电压比较器C1和C2是两个相同的线性电路，每个电压比较器有两个信号输入端和一个信号输出端。C1的同向输入端接基准比较电压VR1，反向输入端(也称阈值端TH)外接输入触发信号电压，C2的反向输入端接基准比较电压VR2，同向输入端(也称触发端TR')外接输入触发信号电压。
1．2 分压器
    分压器由三个等值电阻串联构成，将电源电压Vcc分压后分别为两个电压比较器提供基准比较电压。在控制电压输入端Vco悬空时，C1、C2的基准比较电压分别为通常应将Vco端接一个高频干扰旁路电容。如果Vco外接固定电压，则
1．3 SR锁存器
    SR锁存器是由两个TTL与非门构成，它的逻辑状态由两个电压比较器的输出电位控制，并有一个外引出的直接复位控制端R'D。只要在R'D端加上低电平，输出端vo便立即被置成低电平，不受其它输入端状态的影响。正常工作时必须使R'D处于高电平。SR锁存器有置0(复位)、置1(置位)和保持三种逻辑功能。电压比较器C1的输出信号作为SR锁存器的复位控制信号，电压比较器C2的输出信号作为SR锁存器的置位控制信号。
1．4 集电极开路的放电三极管
    放电三极管实际上是一个共发射极接法的双极型晶体管开关电路，其工作状态由SR锁存器的Q'端控制，集电极引出片外，外接RC充放电电路。通常，把引出片外的集电极称为放电端(DISC)。
1．5 输出缓冲器
    输出缓冲器由反相器构成。其作用是提高时基集成电路的负载能力，并隔离负载与时基集成电路之间的影响。输出缓冲器的输入信号是SR锁存器Q'的输出信号。

2 555时基电路的基本工作模式
    555时基电路的应用十分广泛，用它可以轻易组成各种性能稳定实用电路，但无论电路如何变化，若将这些实用电路按其工作原理归纳分类，其基本工作模式不外乎单稳态、双稳态、无稳态及定时这四种模式。
2．1 单稳态工作模式
    在实际应用中，并不总是需要连续重复波，有时只需要电路在一定长度时间内工作，这种电路只需要工作在单稳态模式。单稳态模式是指电路只有一个稳定状态，也称单稳态触发器。在稳定状态时，555时基电路处于复位态，即输出低电平。当电路受到低电平触发时，555电路翻转置位进入暂稳态，在暂稳态时间内，输出高电平，经过一段延迟后，电路可自动返回稳态。单稳态工作模式根据工作原理可分为脉冲启动的单稳和单稳型压控振荡器。
2．1．1 脉冲启动的单稳
    脉冲启动的单稳是以555时基电路的2端作为触发信号的输入端，并将由TD和R组成的反相器输出电压接至6端，同时在6端对地接入电容C，就构成了单稳态触发器，电路如图2所示。其稳态时Vo=O，暂稳态Vo=l，输出脉冲的宽度tW等于暂稳态持续的时间。

   
    通常R的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范围为几百皮法到几百微法，tW的范围为几微秒到几分钟。但随着tW的宽度增加它的精度和稳定度将下降。
    脉冲启动的单稳电路除了起定时／延时作用以外，还可以用于消抖、分／倍频、脉冲输出等。

2．1．2 单稳型压控振荡器(VCO)
    由555时基电路组成的压控振荡器如图3所示，图(a)电路中，2端输入被调制脉冲Vi，5端加调制信号Vco。图(b)电路中，利用输出的脉冲，经低通滤波、直流放大后，闭环控制555的控制端(5端)，使当触发频率升高时，自动减小其暂稳宽度，达到输出波形的占空比保持不变。单稳型压控振荡器主要用于脉宽调制、压频变化、A／D变换等。

2．2 双稳态工作模式
    双稳态工作模式是指电路有两个输入端和两个输出端的电路，它的输出端有两个稳定状态，即置位态和复位态。这种输出状态是由输入状态、输出端原来的状态和锁存器自身的性能来决定的。双稳态工作模式根据工作原理可分为SR锁存器和施密特触发器。
2．2．1 SR锁存器(双限比较器)
    对于555时基电路来说，按照它的逻辑功能完全可以等效于一个SR锁存器，如图4所示，只不过它是一个特殊的SR锁存器。它有两个输入端TH(R)和TR'(S')，只有一个输出端Vo(Q)而没有Q'端。因为一个Q端就能解决和负载的连接以及说明锁存器的状态，所以省略了Q'端。
    这个特殊的SR锁存器的特殊之处有二：一是它的两个输入端对触发电平的极性要求不同，R端要求高电平，而S'端要求低电平；二是两个输入端的阈值电平不同，R端为即对R端来说，时，输出高电平1，而时输出低电平0；对S'端来说阈值电平为，即时，输出低电平0，而VS≥1/3Vcc时输出高电平1。SR锁存器常用于比较器、电子开关、检测电路、家电控制器等。

2．2．2 施密特触发器(滞后比较器)
    555时基电路中的两个电压比较器C1和C2，由于它们的参考电压不同，C1为1/3Vcc，C2为1/3Vcc，因而SR锁存器的置0信号和置1信号必然发生在输入信号的不同电平。因此，输出电压由高电平变为低电平和由低电平变为高电平所对应的输入信号值也不同，利用这一特性，将它的两个输入端TH和TR相连作为总输入端便可得到施密特触器，如图5所示。施密特触发器经常用于电子开关、监控告警、脉冲整形等。
2．3 无稳态工作模式
    无稳态工作模式是指电路没有固定的稳定状态，555时基电路处于置位与复位反复交替的状态，即输出端交替出现高电平与低电平，输送出波形为矩形波。由于矩形波的高次谐波十分丰富，所以无稳态工作模式又称为自激多谐振荡器。可分为直接反馈型、简接反馈型多谐振荡器和无稳型压控振荡器。
2．3．1 直接反馈型多谐振荡器
    555时基电路可以组成施密特触发器，利用施密特触发器的回差特性，在电路的两个输入端与地之间接入充放电电容C并在输出与输入端之间接入反馈电阻Rf，就组成了一个直接反馈式多谐振荡器，如图6(a)所示。接通电源，电路在每次翻转后的充放电过程就是它的暂稳态时间，两个暂稳态时间分别为电容的充电时间T1和放电时间T2。t1=t2=0．69RC振荡周期 T=T1+T2振荡频率f=1／T，电路占空比为50％。改变R、C的值则可改变充放电时间，即改变电路的振荡频率f。
    电路中充、放电电阻R的取值一般应不小于10K Ω，如取值过小，那么充、放电电流过大，会使输出电压下降过多，重负载时尤其如此。
2．3．2 间接反馈型多谐振荡器
    直接反馈式多谐振荡器由于通过输出端向电容C充电，输出受负载因素的影响，会造成振荡频率的不稳定，所以常采用间接反馈式多谐振荡器，电路如图6(b)所示。电路的工作过程不变，但它的工作性能得到很大改善。该电路充电时经R1和R2两只电阻，而放电时只经R2一只电阻，两个暂稳态时间不相等，T1=0．69(R1+R2)C，T2=0．69R2C，振荡周期T=T1+T2=0．69(R1+2R2)C，振荡频率f=1/T。

    如果将电路进行改进，接入二极管D1和D2，电路如图6(c)所示，电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经Rl，放电电流只流经R2，因此电容C的充放电时间分别为T1=0．69R1C，T2=O．69R2C振荡周期T=T1+T2=0.69(R1+R2)C，振荡频率f=l／T。若取R1=R2，占空比为50％。
    多谐振荡器在脉冲输出、音响告警、家电控制、电子玩具、检测仪器、电源变换、定时器等方面有着广泛的应用。
2．3．3 无稳型压控振荡器(VCO)
    如果间接反馈型多谐振荡器的控制电压输入端不悬空，则构成无稳态压控振荡器，电路如图7所示。图(a)电路电容C的充、放电时间分别为，振荡周期T=T1+T2，振荡频率f=1／T。当输入控制电压VI升高时频率f将会降低。图(b)电路是电压一频率转换电路(VFC)，由运算放大器和555定时器构成，改变负载电阻RL两端的电压降，就可改变555多谐振荡器的频率。若负载为RL，电流为IO，则其两端电压Vi=IORL该电压经差分放大器Al放大100倍，Al输出加到555的控制端(5脚)对其进行调制，这样，555输出(3脚)信号频率就与输入电压Vi成比例。无稳型压控振荡器主要用于脉宽调制、电压频率变换以及A／D变换等。

2．4 定时工作模式
    定时工作模式实质上是单稳态工作模式的一种变形，其电路如图8所示，由于这种电路在应用电路中使用得较为广泛，所以可以作为一种基本工作模式。

    定时工作模式主要用于定时或延时电路中，其稳态时VO=0，暂稳态Vo=1，输出脉冲的宽度tW等于暂稳态持续的时间，而暂稳态持续的时间取决于外接电阻R和电容C的大小。

   
    图(a)是开机时产生高电平的定时电路，经延迟时间t后，时基电路输出端将保持输出低电平不变，如果要使3脚再次输出高电平，只需按一下按钮SB，电容C的存储电荷即通过SB泄放，2脚端受低电平触发，555置位，3脚输出高电平松开SB后定时即开始。此时电源VDD就通过定时电阻R向C充电，使C两端的电压(555的阈值端6脚电平)不断升高，当升至2/3VCC时，时基电路复位，定时结束，3脚恢复输出低电平。
    图(b)是开机时产生低电平的定时电路，经延迟时间t后，时基电路输出端将保持输出高电平不变，因为开机时，由于电容C两端电压不能跃变，所以555的TH端(6脚)为高电平，555复位，3脚输出低电平。然后电源经R向C充电，使C两端电压不断升高，从而使555的触发端TR(2脚)电平不断下降，经延迟时间t后，2脚电平降至1/3VCC，时基电路置位，3脚则保持输出高电平不变。如要再次输出一个延迟时间为t的低电平，只需按一下按钮SB即可。

3 555时基电路的应用
    1972年美思西格奈蒂克公司(Signetics)首次推出NE555双极性时基集成电路，原本旨在取代体积大、定时精度差的机械式定时器，但器件投放市场后，由于该集成电路成本低、使用方便、稳定性好，因此受到各界电子、电器设计与制作人员的欢迎，其应用范围远远超出了的设计者的初衷，其用途几乎涉及电子应用的各个领域。自世界上第一块NE555集成电路诞生至今30多年以来，其市场一直经久不衰，直至今天世界各国集成电路生产厂商仍纷纷竞相仿制。
3．1 NE556时基电路构成电机控制电路
    NE556定时器构成的电机控制电路如图9所示，电路中NE556(1)构成无稳态多谐振荡器，NE556(2)构成单稳态多谐振荡器。R3和C3构成微分电路，VD1为限幅二极管，作用是吸收微分电路产生的正尖峰脉冲电压；NE556(2)的输出经R5和VT2激励达林顿晶体管VT1，使其通／断工作，从而驱动电动机使其运行。BP1用于调节激励VT1的周期，BP2用于控制电动机的转速。
    555时基电路在控制电路与转换电路方面的应用还有：构成水位自动控制电路、上下限温度自动控制电路、电压一频率转换电路、频率一电压转换电路等。

3．2 555时基电路构成相片曝光定时电路
    555定时器构成的相片曝光定时器如图10所示，555时基电路接成定时工作模式，当电源接通后，定时器进入稳态，此时定时电容的电压为VCT=VCC，对555这个等效的触发器来讲，两个输入端都是高电平，则输出为低电平，VO=0，继电器不吸合，常开触电是打开的，相片曝光灯不亮。
    当按下按钮开关SB后，定时电容CT立即放电到电压为零，此时555电路等效触发输入端均为低电平，则输出为高电平，VO=1，继电器吸合，常开触电是闭合，相片曝光灯点亮。按钮开关按一下后立即放开，电源电压就通过电阻RT向电容CT充电，暂稳态开始。当电容电压上升到2/3VCC时，定时时间已到，555等效电路触发器输入均为高电平，于是，触发器又翻转为低电平，VO=0，继电器释放，暂稳态结束又恢复到稳态。相片曝光时间为tW=1.1RTCT，延时时间可通过电位器RP调整和设置。

    555时基电路在延迟与定时器的应用电路中，还可构成各种不同类型的开机延迟电路和各种不同种类的定时电路，如触摸式实用电子定时器、大范围长时间的可调定时器、用于智力竞赛抢答游戏的小巧定时音响器、电话限时定时器、照明灯自动定时器等。
3．3 555时基电路构成电源电路
    555时基电路构成的正负双电源电路如图ll所示，VCC为供电电池组，合上电源开关S后，即可输出对等的正负双电源。555时基电路和R1、C1接成占空比为50％的无稳态多谐振荡器，振荡频率为20KHz的方波。当输出端为高电平时，电容C4被充电，输出端为低电平时，电容C3被充电。由于二极管VD1和VD2的存在，电容C3T和C4在电路中只充电不放电，充电最大值为电源电压VCC。如果将B点接地，则在A、C点分别得到绝对值相等的正负双电源VCC。

    555时基电路除了构成的正负双电源电路以外，还可以构成倍压直流电压升压器、正负电压转换器及其构成各种充电器，如脉冲式快速充电器、镍镉电池充电器等。

4 小结
    555时基电路除了应用于以上的自控开关电路、定时器电路、电源电路以外，在门铃电路、报警器、照明电路、仪器仪表电路、家用电器、充电器电路、玩具与休闲电路及其它电子电器等领域有着极其广泛的应用。本文所给出的应用实例电路结构合理，设计新颖，实用性强，具有一定的参考价值。