555時(shí)基電路的研究與應(yīng)用

0 引言
    555時(shí)基電路是一種雙極型的時(shí)基集成電路，工作電源為4．5v～18v，輸出電平可與TTL、CMOS和HLT邏輯電路兼容，輸出電流為200mA，工作可靠，使用簡便而且成本低，可直接推動(dòng)揚(yáng)聲器、電感等低阻抗負(fù)載，還可以在儀器儀表、自動(dòng)化裝置及各種電器中作定時(shí)及時(shí)間延遲等控制，可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器、脈沖發(fā)生器、防盜報(bào)警器、電壓監(jiān)視器等電路，應(yīng)用及其廣泛。

1 555時(shí)基電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    國產(chǎn)雙極型定時(shí)器CB555的電路結(jié)構(gòu)如圖l所示。它由分壓器、電壓比較器C1和C2、SR鎖存器、緩沖輸出器和集電極開路的放電三極管TD組成。

1．1 電壓比較器
    電壓比較器C1和C2是兩個(gè)相同的線性電路，每個(gè)電壓比較器有兩個(gè)信號輸入端和一個(gè)信號輸出端。C1的同向輸入端接基準(zhǔn)比較電壓VR1，反向輸入端(也稱閾值端TH)外接輸入觸發(fā)信號電壓，C2的反向輸入端接基準(zhǔn)比較電壓VR2，同向輸入端(也稱觸發(fā)端TR')外接輸入觸發(fā)信號電壓。
1．2 分壓器
    分壓器由三個(gè)等值電阻串聯(lián)構(gòu)成，將電源電壓Vcc分壓后分別為兩個(gè)電壓比較器提供基準(zhǔn)比較電壓。在控制電壓輸入端Vco懸空時(shí)，C1、C2的基準(zhǔn)比較電壓分別為通常應(yīng)將Vco端接一個(gè)高頻干擾旁路電容。如果Vco外接固定電壓，則
1．3 SR鎖存器
    SR鎖存器是由兩個(gè)TTL與非門構(gòu)成，它的邏輯狀態(tài)由兩個(gè)電壓比較器的輸出電位控制，并有一個(gè)外引出的直接復(fù)位控制端R'D。只要在R'D端加上低電平，輸出端vo便立即被置成低電平，不受其它輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時(shí)必須使R'D處于高電平。SR鎖存器有置0(復(fù)位)、置1(置位)和保持三種邏輯功能。電壓比較器C1的輸出信號作為SR鎖存器的復(fù)位控制信號，電壓比較器C2的輸出信號作為SR鎖存器的置位控制信號。
1．4 集電極開路的放電三極管
    放電三極管實(shí)際上是一個(gè)共發(fā)射極接法的雙極型晶體管開關(guān)電路，其工作狀態(tài)由SR鎖存器的Q'端控制，集電極引出片外，外接RC充放電電路。通常，把引出片外的集電極稱為放電端(DISC)。
1．5 輸出緩沖器
    輸出緩沖器由反相器構(gòu)成。其作用是提高時(shí)基集成電路的負(fù)載能力，并隔離負(fù)載與時(shí)基集成電路之間的影響。輸出緩沖器的輸入信號是SR鎖存器Q'的輸出信號。

2 555時(shí)基電路的基本工作模式
    555時(shí)基電路的應(yīng)用十分廣泛，用它可以輕易組成各種性能穩(wěn)定實(shí)用電路，但無論電路如何變化，若將這些實(shí)用電路按其工作原理歸納分類，其基本工作模式不外乎單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)、無穩(wěn)態(tài)及定時(shí)這四種模式。
2．1 單穩(wěn)態(tài)工作模式
    在實(shí)際應(yīng)用中，并不總是需要連續(xù)重復(fù)波，有時(shí)只需要電路在一定長度時(shí)間內(nèi)工作，這種電路只需要工作在單穩(wěn)態(tài)模式。單穩(wěn)態(tài)模式是指電路只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，也稱單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，555時(shí)基電路處于復(fù)位態(tài)，即輸出低電平。當(dāng)電路受到低電平觸發(fā)時(shí)，555電路翻轉(zhuǎn)置位進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間內(nèi)，輸出高電平，經(jīng)過一段延遲后，電路可自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)工作模式根據(jù)工作原理可分為脈沖啟動(dòng)的單穩(wěn)和單穩(wěn)型壓控振蕩器。
2．1．1 脈沖啟動(dòng)的單穩(wěn)
    脈沖啟動(dòng)的單穩(wěn)是以555時(shí)基電路的2端作為觸發(fā)信號的輸入端，并將由TD和R組成的反相器輸出電壓接至6端，同時(shí)在6端對地接入電容C，就構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，電路如圖2所示。其穩(wěn)態(tài)時(shí)Vo=O，暫穩(wěn)態(tài)Vo=l，輸出脈沖的寬度tW等于暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時(shí)間。

   
    通常R的取值在幾百歐姆到幾兆歐姆之間，電容的取值范圍為幾百皮法到幾百微法，tW的范圍為幾微秒到幾分鐘。但隨著tW的寬度增加它的精度和穩(wěn)定度將下降。
    脈沖啟動(dòng)的單穩(wěn)電路除了起定時(shí)／延時(shí)作用以外，還可以用于消抖、分／倍頻、脈沖輸出等。

2．1．2 單穩(wěn)型壓控振蕩器(VCO)
    由555時(shí)基電路組成的壓控振蕩器如圖3所示，圖(a)電路中，2端輸入被調(diào)制脈沖Vi，5端加調(diào)制信號Vco。圖(b)電路中，利用輸出的脈沖，經(jīng)低通濾波、直流放大后，閉環(huán)控制555的控制端(5端)，使當(dāng)觸發(fā)頻率升高時(shí)，自動(dòng)減小其暫穩(wěn)寬度，達(dá)到輸出波形的占空比保持不變。單穩(wěn)型壓控振蕩器主要用于脈寬調(diào)制、壓頻變化、A／D變換等。

2．2 雙穩(wěn)態(tài)工作模式
    雙穩(wěn)態(tài)工作模式是指電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端的電路，它的輸出端有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，即置位態(tài)和復(fù)位態(tài)。這種輸出狀態(tài)是由輸入狀態(tài)、輸出端原來的狀態(tài)和鎖存器自身的性能來決定的。雙穩(wěn)態(tài)工作模式根據(jù)工作原理可分為SR鎖存器和施密特觸發(fā)器。
2．2．1 SR鎖存器(雙限比較器)
    對于555時(shí)基電路來說，按照它的邏輯功能完全可以等效于一個(gè)SR鎖存器，如圖4所示，只不過它是一個(gè)特殊的SR鎖存器。它有兩個(gè)輸入端TH(R)和TR'(S')，只有一個(gè)輸出端Vo(Q)而沒有Q'端。因?yàn)橐粋€(gè)Q端就能解決和負(fù)載的連接以及說明鎖存器的狀態(tài)，所以省略了Q'端。
    這個(gè)特殊的SR鎖存器的特殊之處有二：一是它的兩個(gè)輸入端對觸發(fā)電平的極性要求不同，R端要求高電平，而S'端要求低電平；二是兩個(gè)輸入端的閾值電平不同，R端為即對R端來說，時(shí)，輸出高電平1，而時(shí)輸出低電平0；對S'端來說閾值電平為，即時(shí)，輸出低電平0，而VS≥1/3Vcc時(shí)輸出高電平1。SR鎖存器常用于比較器、電子開關(guān)、檢測電路、家電控制器等。

2．2．2 施密特觸發(fā)器(滯后比較器)
    555時(shí)基電路中的兩個(gè)電壓比較器C1和C2，由于它們的參考電壓不同，C1為1/3Vcc，C2為1/3Vcc，因而SR鎖存器的置0信號和置1信號必然發(fā)生在輸入信號的不同電平。因此，輸出電壓由高電平變?yōu)榈碗娖胶陀傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖剿鶎?yīng)的輸入信號值也不同，利用這一特性，將它的兩個(gè)輸入端TH和TR相連作為總輸入端便可得到施密特觸器，如圖5所示。施密特觸發(fā)器經(jīng)常用于電子開關(guān)、監(jiān)控告警、脈沖整形等。
2．3 無穩(wěn)態(tài)工作模式
    無穩(wěn)態(tài)工作模式是指電路沒有固定的穩(wěn)定狀態(tài)，555時(shí)基電路處于置位與復(fù)位反復(fù)交替的狀態(tài)，即輸出端交替出現(xiàn)高電平與低電平，輸送出波形為矩形波。由于矩形波的高次諧波十分豐富，所以無穩(wěn)態(tài)工作模式又稱為自激多諧振蕩器?？煞譃橹苯臃答佇?、簡接反饋型多諧振蕩器和無穩(wěn)型壓控振蕩器。
2．3．1 直接反饋型多諧振蕩器
    555時(shí)基電路可以組成施密特觸發(fā)器，利用施密特觸發(fā)器的回差特性，在電路的兩個(gè)輸入端與地之間接入充放電電容C并在輸出與輸入端之間接入反饋電阻Rf，就組成了一個(gè)直接反饋式多諧振蕩器，如圖6(a)所示。接通電源，電路在每次翻轉(zhuǎn)后的充放電過程就是它的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間，兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間分別為電容的充電時(shí)間T1和放電時(shí)間T2。t1=t2=0．69RC振蕩周期 T=T1+T2振蕩頻率f=1／T，電路占空比為50％。改變R、C的值則可改變充放電時(shí)間，即改變電路的振蕩頻率f。
    電路中充、放電電阻R的取值一般應(yīng)不小于10K Ω，如取值過小，那么充、放電電流過大，會(huì)使輸出電壓下降過多，重負(fù)載時(shí)尤其如此。
2．3．2 間接反饋型多諧振蕩器
    直接反饋式多諧振蕩器由于通過輸出端向電容C充電，輸出受負(fù)載因素的影響，會(huì)造成振蕩頻率的不穩(wěn)定，所以常采用間接反饋式多諧振蕩器，電路如圖6(b)所示。電路的工作過程不變，但它的工作性能得到很大改善。該電路充電時(shí)經(jīng)R1和R2兩只電阻，而放電時(shí)只經(jīng)R2一只電阻，兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間不相等，T1=0．69(R1+R2)C，T2=0．69R2C，振蕩周期T=T1+T2=0．69(R1+2R2)C，振蕩頻率f=1/T。

    如果將電路進(jìn)行改進(jìn)，接入二極管D1和D2，電路如圖6(c)所示，電容的充電電流和放電電流流經(jīng)不同的路徑，充電電流只流經(jīng)Rl，放電電流只流經(jīng)R2，因此電容C的充放電時(shí)間分別為T1=0．69R1C，T2=O．69R2C振蕩周期T=T1+T2=0.69(R1+R2)C，振蕩頻率f=l／T。若取R1=R2，占空比為50％。
    多諧振蕩器在脈沖輸出、音響告警、家電控制、電子玩具、檢測儀器、電源變換、定時(shí)器等方面有著廣泛的應(yīng)用。
2．3．3 無穩(wěn)型壓控振蕩器(VCO)
    如果間接反饋型多諧振蕩器的控制電壓輸入端不懸空，則構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)壓控振蕩器，電路如圖7所示。圖(a)電路電容C的充、放電時(shí)間分別為，振蕩周期T=T1+T2，振蕩頻率f=1／T。當(dāng)輸入控制電壓VI升高時(shí)頻率f將會(huì)降低。圖(b)電路是電壓一頻率轉(zhuǎn)換電路(VFC)，由運(yùn)算放大器和555定時(shí)器構(gòu)成，改變負(fù)載電阻RL兩端的電壓降，就可改變555多諧振蕩器的頻率。若負(fù)載為RL，電流為IO，則其兩端電壓Vi=IORL該電壓經(jīng)差分放大器Al放大100倍，Al輸出加到555的控制端(5腳)對其進(jìn)行調(diào)制，這樣，555輸出(3腳)信號頻率就與輸入電壓Vi成比例。無穩(wěn)型壓控振蕩器主要用于脈寬調(diào)制、電壓頻率變換以及A／D變換等。

2．4 定時(shí)工作模式
    定時(shí)工作模式實(shí)質(zhì)上是單穩(wěn)態(tài)工作模式的一種變形，其電路如圖8所示，由于這種電路在應(yīng)用電路中使用得較為廣泛，所以可以作為一種基本工作模式。

    定時(shí)工作模式主要用于定時(shí)或延時(shí)電路中，其穩(wěn)態(tài)時(shí)VO=0，暫穩(wěn)態(tài)Vo=1，輸出脈沖的寬度tW等于暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時(shí)間，而暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時(shí)間取決于外接電阻R和電容C的大小。

   
    圖(a)是開機(jī)時(shí)產(chǎn)生高電平的定時(shí)電路，經(jīng)延遲時(shí)間t后，時(shí)基電路輸出端將保持輸出低電平不變，如果要使3腳再次輸出高電平，只需按一下按鈕SB，電容C的存儲(chǔ)電荷即通過SB泄放，2腳端受低電平觸發(fā)，555置位，3腳輸出高電平松開SB后定時(shí)即開始。此時(shí)電源VDD就通過定時(shí)電阻R向C充電，使C兩端的電壓(555的閾值端6腳電平)不斷升高，當(dāng)升至2/3VCC時(shí)，時(shí)基電路復(fù)位，定時(shí)結(jié)束，3腳恢復(fù)輸出低電平。
    圖(b)是開機(jī)時(shí)產(chǎn)生低電平的定時(shí)電路，經(jīng)延遲時(shí)間t后，時(shí)基電路輸出端將保持輸出高電平不變，因?yàn)殚_機(jī)時(shí)，由于電容C兩端電壓不能躍變，所以555的TH端(6腳)為高電平，555復(fù)位，3腳輸出低電平。然后電源經(jīng)R向C充電，使C兩端電壓不斷升高，從而使555的觸發(fā)端TR(2腳)電平不斷下降，經(jīng)延遲時(shí)間t后，2腳電平降至1/3VCC，時(shí)基電路置位，3腳則保持輸出高電平不變。如要再次輸出一個(gè)延遲時(shí)間為t的低電平，只需按一下按鈕SB即可。

3 555時(shí)基電路的應(yīng)用
    1972年美思西格奈蒂克公司(Signetics)首次推出NE555雙極性時(shí)基集成電路，原本旨在取代體積大、定時(shí)精度差的機(jī)械式定時(shí)器，但器件投放市場后，由于該集成電路成本低、使用方便、穩(wěn)定性好，因此受到各界電子、電器設(shè)計(jì)與制作人員的歡迎，其應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了的設(shè)計(jì)者的初衷，其用途幾乎涉及電子應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。自世界上第一塊NE555集成電路誕生至今30多年以來，其市場一直經(jīng)久不衰，直至今天世界各國集成電路生產(chǎn)廠商仍紛紛競相仿制。
3．1 NE556時(shí)基電路構(gòu)成電機(jī)控制電路
    NE556定時(shí)器構(gòu)成的電機(jī)控制電路如圖9所示，電路中NE556(1)構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，NE556(2)構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。R3和C3構(gòu)成微分電路，VD1為限幅二極管，作用是吸收微分電路產(chǎn)生的正尖峰脈沖電壓；NE556(2)的輸出經(jīng)R5和VT2激勵(lì)達(dá)林頓晶體管VT1，使其通／斷工作，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使其運(yùn)行。BP1用于調(diào)節(jié)激勵(lì)VT1的周期，BP2用于控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
    555時(shí)基電路在控制電路與轉(zhuǎn)換電路方面的應(yīng)用還有：構(gòu)成水位自動(dòng)控制電路、上下限溫度自動(dòng)控制電路、電壓一頻率轉(zhuǎn)換電路、頻率一電壓轉(zhuǎn)換電路等。

3．2 555時(shí)基電路構(gòu)成相片曝光定時(shí)電路
    555定時(shí)器構(gòu)成的相片曝光定時(shí)器如圖10所示，555時(shí)基電路接成定時(shí)工作模式，當(dāng)電源接通后，定時(shí)器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)定時(shí)電容的電壓為VCT=VCC，對555這個(gè)等效的觸發(fā)器來講，兩個(gè)輸入端都是高電平，則輸出為低電平，VO=0，繼電器不吸合，常開觸電是打開的，相片曝光燈不亮。
    當(dāng)按下按鈕開關(guān)SB后，定時(shí)電容CT立即放電到電壓為零，此時(shí)555電路等效觸發(fā)輸入端均為低電平，則輸出為高電平，VO=1，繼電器吸合，常開觸電是閉合，相片曝光燈點(diǎn)亮。按鈕開關(guān)按一下后立即放開，電源電壓就通過電阻RT向電容CT充電，暫穩(wěn)態(tài)開始。當(dāng)電容電壓上升到2/3VCC時(shí)，定時(shí)時(shí)間已到，555等效電路觸發(fā)器輸入均為高電平，于是，觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)為低電平，VO=0，繼電器釋放，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束又恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。相片曝光時(shí)間為tW=1.1RTCT，延時(shí)時(shí)間可通過電位器RP調(diào)整和設(shè)置。

    555時(shí)基電路在延遲與定時(shí)器的應(yīng)用電路中，還可構(gòu)成各種不同類型的開機(jī)延遲電路和各種不同種類的定時(shí)電路，如觸摸式實(shí)用電子定時(shí)器、大范圍長時(shí)間的可調(diào)定時(shí)器、用于智力競賽搶答游戲的小巧定時(shí)音響器、電話限時(shí)定時(shí)器、照明燈自動(dòng)定時(shí)器等。
3．3 555時(shí)基電路構(gòu)成電源電路
    555時(shí)基電路構(gòu)成的正負(fù)雙電源電路如圖ll所示，VCC為供電電池組，合上電源開關(guān)S后，即可輸出對等的正負(fù)雙電源。555時(shí)基電路和R1、C1接成占空比為50％的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，振蕩頻率為20KHz的方波。當(dāng)輸出端為高電平時(shí)，電容C4被充電，輸出端為低電平時(shí)，電容C3被充電。由于二極管VD1和VD2的存在，電容C3T和C4在電路中只充電不放電，充電最大值為電源電壓VCC。如果將B點(diǎn)接地，則在A、C點(diǎn)分別得到絕對值相等的正負(fù)雙電源VCC。

    555時(shí)基電路除了構(gòu)成的正負(fù)雙電源電路以外，還可以構(gòu)成倍壓直流電壓升壓器、正負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器及其構(gòu)成各種充電器，如脈沖式快速充電器、鎳鎘電池充電器等。

4 小結(jié)
    555時(shí)基電路除了應(yīng)用于以上的自控開關(guān)電路、定時(shí)器電路、電源電路以外，在門鈴電路、報(bào)警器、照明電路、儀器儀表電路、家用電器、充電器電路、玩具與休閑電路及其它電子電器等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。本文所給出的應(yīng)用實(shí)例電路結(jié)構(gòu)合理，設(shè)計(jì)新穎，實(shí)用性強(qiáng)，具有一定的參考價(jià)值。