555定时器的基本特性和用法

555定时器的基本特性和用法【摘要】简要说明555 定时器的内部电路结构及功能，对555 定时器接成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器三种典型电路进行了详细的分析。

【关键词】555 定时器；施密特触发器；单稳态触发器；多谐振荡器；1 前言555 定时器是美国Signetics 公司1972 年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因设计时输入端有三个5KΩ的电阻而得名。

555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的集成器件。

目前品种繁多，主要有TTL 和CMOS两大类型，它们的电路结构和工作原理基本相同。

TTL 型（以5G555 为代表）驱动能力较强，电源电压范围为5~16V，最大负载电流可达200mA；而CMOS 型（以CC7555 为代表）则具有功耗低、输入电阻高等优点，电源电压范围为3~18V，最大负载电流在20mA 以下。

产品型号尾数为555 的是TTL 型单定时器，双定时器为556；型号尾数为7555 的是CMOS 型单定时器，双定时器为7556。

555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以方便实现多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

由于使用灵活，方便，所以555定时器在波形的产生与变化，测量与控制，家用电器，电子玩具等许多领域中得到了应用。

2 555定时器的电路结构与基本特性2.1电路组成图1是国产双极型定时器CB555的电路结构图。

它由比较器C1和C2，SR锁存器和集电极开路的放电三极管VT三部分组成。

为了提高电路的带负载能力，还在输出端设置了缓冲器G4。

①电阻分压器由3个阻值均为5kΩ的电阻串联构成分压器，为电压比较器C1和C2提供参考电压U R1、U R2。

②电压比较器C1和C2电压比较器C1和C2是两个结构完全相同的理想运算放大器。

当运算放大器的同相输入U+大于反相输入U-时，其输出为高电平1信号；而当U+小于U-时，其输出为低电平0信号。

比较器C1的同相输入端接参考电压U R1，反相输入端与阈值输入端TH相连，其输出端R的状态取决于阈值输入信号U TH与U R1的比较结果。

当UR1＞U TH时，输出R为高电平1；当UR1＜U TH时，输出R为低电平0。

比较器C2的同相输入端与触发输入端相连，反相输入端接参考电压U R2，其输出端S 的状态取决于触发输入信号U TR与U R2的比较结果。

当U TR＞U R2时，输出S为高电平1；U TR＜U R2时，输出S为低电平0。

③基本R-S锁存器两个与非门G1和G2构成了R-S锁存器，这个锁存器是以低电平作为输入信号的。

锁存器输入信号R、S为比较器C1、C2的输出，并且用S和R分别表示置1输入端和置0输入端。

锁存器Q端状态与电路输出端OUT的状态一致，锁存器Q端状态影响着放电三极管T的导通与截止。

当外部复位信号R’为0(低电平)时，可使Uo=0，定时器输出直接复位。

S-R锁存器的功能表如下由于S=R=0时出现非定义的Q=Q*=1，所以在正常工作时应当使S’* R’=0。

④放电三极管VT放电三极管VT构成泄放电路，VT的集电极用输出端D表示。

如果将D端经过一个外接电阻接至电源，即可组成一个反相器。

当Q=0时，T导通，D端输出为低电平0；当Q=1时，VT截止，D端输出为高电平1。

可见，D端的逻辑状态与输出端OUT的状态相同。

⑤输出缓冲器输出缓冲器G3的作用是提高负载能力，并隔离负载对定时器的影响。

2.2工作原理6端口是比较器C1的输入端，2端口是比较器C2的输入端。

C1和C2的参考电压U R1和U R2由Vcc经三个5K电阻分压给出。

在控制电压输入端co悬空时，U R1=2/3Vcc, U R2=1/3Vcc。

如果co外接固定电压，则UR1=Uco,UR2=1/2Uco。

为了防止干扰，当不外加控制电压时，CO端一般通过一个小电容(如0.01μF)接地，以旁路高频干扰。

R’是置零输入端。

只要在R’端加上低电平，输出端便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。

正常工作时必须使R’处于高电平。

由图1得到了CB555的功能表TH接至反相输入端，当TH＞U R1时，U C1输出低电平，使触发器置0，故称为高触发端（有效时置0）；TR接至同相输入端，当TR＜U R2时，U C2输出低电平，使触发器置1，故称为低触发端（有效时置1）。

3555定时器的用法可以设想，如果使U C1和U C2的低电平信号发生在输入电压信号的不同电平，那么输出与输入之间的关系将为施密特触发特性；如果在TR’加入一个低电平触发信号以后，经过一定的时间能在U C1输入端自动产生一个低电平信号，就可以得到单稳态触发器；如果能使U C1和U C2的低电平信号交替地反复出现，就可以得到多谐振荡器。

3.1555定时器接成的单稳态触发器1 电路结构若以555定时器的TR’端作为触发信号的输入端，并将由VT和R组成的反相器输出电压D端接至TH端，同时在TH对地接入电容C，就构成了如图2所示的单稳态触发器。

图22 工作原理触发信号v I是一负脉冲。

当触发脉冲尚未输入时，v I为高电平且v I>1/3V CC，比较器C2的输出为1。

若，则晶体管T饱和导通，电容C通过T放电，直至当U C<2/3V CC 时，比较器C1输出为1，触发器状态不变；若，则晶体管VT截止，电容C 充电，当U C>2/3Vcc时，C1输出为0，使RS 触发器翻转成。

一旦RS 触发器翻转成0状态，若无外触发脉冲则状态一直保持。

所以在触发负脉冲v I到来前，Q=0、输出v0为零，是稳定状态。

若在t1时输入幅值低于1/3V CC的触发负脉冲，则C2的输出为0，将RS 触发器置1，U0由0变为1，电路开始进入暂稳状态。

此时晶体管VT由于=0而截止，电源对电容C充电。

即使在t2时刻触发负脉冲已消失，C2的输出变为1，但为低电平有效，故电源对电容 C 的充电继续进行。

直到t3时U C=2/3Vcc时，C1的输出为0，才使触发器翻转到稳定状态。

此后电容C 迅速放电。

可见，Q =1、输出U0为高电平，是暂稳状态。

3 单稳态触发器电路输出脉冲宽度的计算输出Uo的脉冲宽度t W也就是暂稳态的持续时间，可根据Uc的波形计算。

根据RC电路瞬态过程的分析，可得到：这种电路产生的脉冲宽度可以从几微秒到数分钟。

可通过改变R、C元件参数调节脉冲宽度。

综上所述，用555定时器构成的单稳态触发器是负脉冲触发形式，且暂稳态维持时间为TW=lnRC≈1．1RC，仅与电路本身的参数R、C有关。

(4)555单稳态触发器问题讨论需要指出的是，输入触发信号v I的脉冲宽度（低电平的保持时间），必须小于电路输出v O的脉冲宽度（暂稳态维持时间t W），否则电路将不能正常工作。

因为当单稳态触发器被触发翻转到暂稳态后，如果v I端的低电平一直保持不变，那么555定时器的输出端将一直保持高电平不变。

解决这一问题的一个简单方法，就是在电路的输入端加一个RC微分电路，即当v I为宽脉冲时，让v I经RC微分电路之后再接到v I2端。

不过微分电路的电阻应接到VCC，以保证在v I下降沿未到来时，v I2端为高电平。

3.2555定时器接成的施密特触发器3.2.1 施密特触发器施密特触发器是一种特殊的双稳态时序电路，与一般的双稳态触发器相比，它具有如下两个特点：①施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号同样适用。

只要输入信号电平达到相应的触发电平，输出信号就会发生突变，从一个稳态翻转到另一个稳态，并且稳态的维持依赖于外加触发输入信号。

②对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平。

这一特性称为滞后特性或回差特性。

3.2.2 555定时器构成的施密特触发器（1）电路结构将555定时器的和两个输入端连在一起作为信号输入端，如图所示，即可得到施密特触发器。

（2）该电路工作原理如下：首先从Ui自０逐渐升高的过程来分析：当Ui<1/3Ucc时，UTH=UTR’<1/3Ucc,则Uc1=1,Uc2=0,Q=1，故电路输出Uo 为高电平UOH当1/3Ucc<Ui<2/3Ucc时，UTH<2/3Ucc,UTR’>1/3Ucc,则Uc1=Uc2=1，故电路输出Uo为高电平UOH保持不变当Ui>2/3Ucc时，UTH=UTR’>2/3Ucc则，故电路输出Uo为低电平UOL。

因此电路的正向阈值电压UT+=2/3Ucc其次，从Ui自高于2/3Ucc开始下降的过程分析当1/3Ucc<Ui<2/3Ucc时，UTH<2/3Ucc, UTR’>1/3Ucc,则Uc1=Uc2=1，故电路输出Uo为低电平UOL保持不变当Ui<1/3Ucc时，UTH=UTR’<1/3Ucc,则Uc1=1,Uc2=0,Q=1，故电路输出Uo 为高电平UOH。

因此，电路的负向阈值电压UT-=1/3Ucc由以上分析可以得到：在本电路中555定时器接成的施密特触发器是一个典型的反相输出施密特触发器，并且该电路的回差电压为△UT = U T+ - U T- = 1/3Ucc（3）问题讨论回差电压的调节。

如果参考电压由外接电压Uco提供，则此时的U T+=Uco，U T-=1/2Uco,△U T=1/2Uco，这样通过调节Uco的值便可以调节回差电压的大小（4）典型应用施密特触发器的典型应用有波形变换、脉冲整形、幅值鉴别等。

波形变换：施密特触发器能将正弦波、三角波或任意形状的模拟信号波形变换成矩形波。

图(a)所示是将正弦波变换成矩形波。

脉冲整形：经传输后的矩形脉冲往往由于干扰及传输线路的分布电容等因素而使信号发生畸变，出现前、后沿变坏或信号电平波形上叠加脉动干扰波等现象。

用施密特触发器，选择适当的回差电压ΔU T，即可对输入信号整形后输出。

如图(b)所示，就是将干扰后的不规则波形，经整形后变成规则波形。

幅值鉴别：施密特触发器能在一系列幅值各异的脉冲信号中鉴别出幅值大于U T+的脉冲，并产生对应的输出信号。

如图(c)所示，输入信号经鉴幅后，仅幅值大于U T+的脉冲会产生相应输出信号。

3.3555定时器接成的多谐振荡器多谐振荡器又称矩形波发生器，它有两个暂稳态，电路一旦起振，两个暂稳态就交替变化，输出矩形脉冲信号。

从图(a)可知，电路由5G555外加两个电阻和一个电容组成。

5G555的D端( 即放电三极管VT的集电极）经R1接至电源U CC，构成一个反相器。

电阻R2和电容C构成积分电路。

积分电路的电容电压u C作为电路输入接至输入端TH和TR。

电路的工作原理可归纳为电容C充电、放电的过程。

(2）输出脉冲信号参数的计算矩形波振荡周期TW的近似计算公式为T W≈ t H + t L≈0.7(R1+2R2)C矩形波振荡频率f的近似计算公式为矩形波的占空比Q的近似计算公式为3)占空比可调的多谐振荡器在图(a)所示电路中，一旦选定电阻R1和R2，输出信号的占空比Q便固定下来。