單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器模式下的555定時(shí)器

集成電路555是最受歡迎和最廣泛使用的集成電路之一。它是一種通用的、極其堅(jiān)固的集成電路，被用于許多應(yīng)用，如定時(shí)器、波發(fā)生器（脈沖）和振蕩器。

IC555，俗稱555定時(shí)器，是由Signetic公司的Hans Camenzind在1971年開發(fā)的。

它分兩部分發(fā)布： NE 555和SE 555。NE 555部件是商業(yè)用途，溫度范圍為00C至700C，SE 555部件是為了滿足軍事標(biāo)準(zhǔn)，溫度范圍為-550C至1250C。它是一個(gè)單片集成電路，是第一個(gè)商業(yè)化的定時(shí)器集成電路。

特點(diǎn)

• 555定時(shí)器可以在5V至18V的廣泛電源范圍內(nèi)運(yùn)行。

• 它有3種不同的封裝方式： 8引腳金屬罐封裝，8引腳DIP和14引腳DIP。

• 時(shí)序可以從微秒到小時(shí)不等。

• 它可以在星形和單穩(wěn)態(tài)模式下工作。

• 高輸出電流。

• 它有一個(gè)可調(diào)的占空比。

• 由于其高輸出電流，它是TTL兼容的。

• 該輸出可以向負(fù)載提供或灌入200mA的電流。

• 它的溫度穩(wěn)定性為0.005%每℃。

不同的操作模式

一般來說，555定時(shí)器可以在三種模式下運(yùn)行： 靜止模式、單穩(wěn)態(tài)模式（或一次性）和雙穩(wěn)態(tài)模式。

靜止模式

在這種模式下，555的工作模式是自由運(yùn)行的。可變型多晶體管的輸出將在低電平和高電平之間連續(xù)切換，從而產(chǎn)生一連串的脈沖，這就是為什么它被稱為脈沖發(fā)生器。

它是一個(gè)完美的方波發(fā)生器的最佳例子。它們被用作變頻器，也被用于許多無線電的內(nèi)部部分。選擇一個(gè)熱敏電阻作為定時(shí)電阻，就可以將555用于溫度傳感器。

單穩(wěn)態(tài)模式

在單穩(wěn)態(tài)模式下，顧名思義，它一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，除非有外部觸發(fā)。在這種模式下，555的功能是作為一個(gè) "一次性 "脈沖發(fā)生器。單穩(wěn)態(tài)的最佳應(yīng)用是在系統(tǒng)中引入一個(gè)時(shí)間延遲。

其應(yīng)用包括很多方面，如定時(shí)器、缺失脈沖檢測(cè)，也包括無跳動(dòng)開關(guān)、觸摸開關(guān)以及分頻器、電容測(cè)量和脈寬調(diào)制（PWM）等等。

雙穩(wěn)態(tài)模式

在雙穩(wěn)態(tài)模式下，集成電路555作為一個(gè)觸發(fā)器，因?yàn)樗袃蓚€(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。它可以用來存儲(chǔ)1位的數(shù)據(jù)。它不是一個(gè)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)器的好選擇。

555定時(shí)器的引腳配置

555定時(shí)器有8腳金屬罐包裝，8腳迷你雙列直插式包裝（DIP）和14腳DIP。14引腳的DIP是IC 556，由兩個(gè)555定時(shí)器組成。

8引腳DIP是最常用的。兩種8引腳封裝的555定時(shí)器的引腳圖如下所示。

所有引腳的名稱和編號(hào)以及它們的說明都列在下面。

引腳1 - 接地(GND)

地面參考電壓（低電平0V）。所有的電壓都是相對(duì)于這個(gè)端子測(cè)量的。

引腳2 - 觸發(fā)端

它負(fù)責(zé)觸發(fā)器的SET和RESET轉(zhuǎn)換。外部觸發(fā)脈沖的振幅將影響定時(shí)器的輸出。當(dāng)觸發(fā)引腳的輸入低于控制電壓的一半（即VCC的1/3）時(shí)，輸出為高電平，計(jì)時(shí)間隔開始。

引腳3 - 輸出端

在這個(gè)引腳上有輸出驅(qū)動(dòng)波形。它被驅(qū)動(dòng)到低于VCC的1.7V。有兩種類型的負(fù)載可以連接到該輸出端。一種是常關(guān)負(fù)載，它連接在引腳3和1（GND）之間，另一種是常開負(fù)載，它連接在引腳3和8（VCC）之間。

第4針 - 復(fù)位終端

在這個(gè)引腳上的一個(gè)負(fù)脈沖將禁用或重置定時(shí)器。只有當(dāng)這個(gè)針腳上的電壓高于0.7V時(shí)，定時(shí)器才會(huì)開始工作，因此在不使用時(shí)，它通常連接到VCC。

引腳5 - 控制電壓

它控制閾值和觸發(fā)水平，從而控制555的定時(shí)。輸出脈沖的寬度是由控制電壓決定的。輸出電壓可以通過施加在這個(gè)引腳上的外部電壓進(jìn)行調(diào)制。一般來說，在不使用時(shí)，它通過一個(gè)10μF的電容連接到地，以消除任何噪音。

引腳6 - 閾值終端

應(yīng)用在這個(gè)端子上的電壓與2/3 VCC的參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)該端電壓大于2/3 VCC時(shí)，觸發(fā)器被RESET，輸出從高電平下降到低電平。

引腳7 - 放電

它連接到內(nèi)部NPN晶體管的集電極開路，使定時(shí)電容放電。當(dāng)這個(gè)引腳的電壓達(dá)到2/3 VCC時(shí)，輸出從高到低切換。

第8針 - VCC或電源

在5V到18V的范圍內(nèi)的電源電壓被施加到這個(gè)終端。

555定時(shí)器內(nèi)部電路圖

555定時(shí)器的內(nèi)部框圖如下所示。它由以下部分組成

• 兩個(gè)比較器

• 一個(gè)SR觸發(fā)器

• 兩個(gè)晶體管

• 一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)

比較器是基本的運(yùn)算放大器。比較器1，提供R輸入，將閾值電壓與2/3的VCC參考電壓進(jìn)行比較。

比較器2提供給觸發(fā)器的S輸入，將觸發(fā)電壓與1/3 VCC參考電壓進(jìn)行比較。

由三個(gè)電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)將作為一個(gè)分壓電路。這些電阻的數(shù)值分別為5KΩ。這三個(gè)5K電阻是 "555集成電路 "名稱的由來。

在兩個(gè)晶體管中，一個(gè)晶體管是放電晶體管。這個(gè)晶體管的集電極開路被連接到集成電路的放電引腳（引腳7）。根據(jù)觸發(fā)器的輸出，這個(gè)晶體管要么進(jìn)入飽和狀態(tài)，要么切斷。

當(dāng)晶體管處于飽和狀態(tài)時(shí)，它為外部連接的電容器提供了一個(gè)放電路徑。另一個(gè)晶體管的基極連接到復(fù)位端（針腳4），它可以重置定時(shí)器，而不考慮其他輸入。

555定時(shí)器工作

三個(gè)5KΩ的電阻形成一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)為兩個(gè)比較器提供兩個(gè)參考電壓，2/3 VCC到上面比較器（比較器1）的反相端，1/3 VCC到下面比較器（比較器2）的非反相端。

上層比較器的反相端與控制輸入相連。一般情況下，控制輸入不被使用，而是連接到2/3 VCC。上層比較器的另一個(gè)輸入是閾值，其輸出連接到觸發(fā)器的R輸入。

當(dāng)閾值電壓大于2/3 VCC（即控制電壓）時(shí)，則觸發(fā)器被RESET，輸出為LOW。這將使放電晶體管導(dǎo)通（晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)），并為任何外部連接的電容器提供一個(gè)放電路徑。

一個(gè)觸發(fā)器輸入被連接到下層比較器的反相端。當(dāng)觸發(fā)器輸入小于參考電壓（1/3 VCC）時(shí)，下部比較器的輸出為高電平。

這被連接到觸發(fā)器的S輸入端，因此觸發(fā)器被設(shè)置，輸出為高電平，計(jì)時(shí)間隔開始。由于輸出為高電平，放電晶體管被關(guān)閉，允許對(duì)外部連接的任何電容器充電。

因此，為了使輸出為高電平，觸發(fā)器輸入應(yīng)該暫時(shí)小于參考電壓。當(dāng)閾值電壓大于2/3 VCC時(shí)，輸出為低電平，這時(shí)觸發(fā)器復(fù)位，從而使輸出復(fù)位。

時(shí)間常數(shù)RC簡介

在大多數(shù)操作中，滿足時(shí)間要求是一項(xiàng)高度優(yōu)先的任務(wù)。例如，在工業(yè)中，金屬或材料的加熱過程是有時(shí)間限制的。

因此，滿足特定的時(shí)間要求可以通過定時(shí)器電路來實(shí)現(xiàn)。

一個(gè)基本的定時(shí)器電路如下所示。它由一個(gè)充電電路、一個(gè)比較器和一個(gè)輸出單元組成。

充電電路由一個(gè)電阻和一個(gè)電容組成。當(dāng)RC電路的串聯(lián)組合被施加直流電壓時(shí)，電容器充電到峰值的時(shí)間由電阻控制。

充電時(shí)間與電阻的值成正比。在RC電路中，電容器充電的速度由時(shí)間常數(shù)給出。

RC時(shí)間常數(shù)，一般稱為Tau（用符號(hào)τ表示），是RC電路的時(shí)間常數(shù)，它是電容器通過電阻器充電所需的時(shí)間，大約為初始值和最終值之差的63.2％。

它也等于電容器放電到36.8%所需的時(shí)間。一個(gè)RC電路的時(shí)間常數(shù)等于R和C的乘積。

τ = RC

如前所述，當(dāng)觸發(fā)器輸入低于1/3 VCC時(shí)，定時(shí)器的輸出變?yōu)楦唠娖?，其保持高電平的時(shí)間由RC時(shí)間常數(shù)決定。

555定時(shí)器輸出的脈沖寬度和頻率是由RC時(shí)間常數(shù)決定的。

為定時(shí)器中的RC電路選擇定時(shí)元件

一個(gè)555定時(shí)器可以提供從微秒到小時(shí)的延遲，這取決于充電電路中的R和C的值。因此，為電阻和電容選擇適當(dāng)?shù)闹凳欠浅Ｖ匾摹?/p>

當(dāng)555定時(shí)器工作在Astable模式時(shí)，它需要一個(gè)由兩個(gè)電阻和一個(gè)電容組成的RC電路。而在單穩(wěn)態(tài)工作模式的情況下，RC電路由一個(gè)電阻和一個(gè)電容組成。

計(jì)時(shí)電容

選擇大電容的電容器將是一個(gè)問題。這是因?yàn)榫哂写箅娙莸碾娊赓|(zhì)電容器往往有較寬的容限。因此，實(shí)際值和標(biāo)示值可能有很大差異。

大電容的電解質(zhì)電容器會(huì)有很高的漏電電流，在電容器充電時(shí)可能會(huì)影響計(jì)時(shí)精度。當(dāng)選擇大電容和低漏電流的電容器時(shí)，鉭電容器是一個(gè)更好的選擇。

最好避免使用額定工作電壓高的電解質(zhì)電容器，因?yàn)樗鼈冊(cè)诒阮~定電壓低10%的電壓下工作時(shí)，工作效率不高。

因此，應(yīng)選擇工作電壓大于555定時(shí)器VCC的電容器。

為了產(chǎn)生短的輸出脈沖，電容小于100pF的定時(shí)電容器也可能造成問題。

對(duì)于這種低值的電容器，電路周圍的雜散電容可能會(huì)影響定時(shí)電容器的電容。

定時(shí)電阻

當(dāng)把555定時(shí)器作為一個(gè)可控的多頻振蕩器來操作時(shí)，定時(shí)電阻的值至少應(yīng)該是1千歐姆。如果我們的想法是建立一個(gè)低功耗的電路，那么定時(shí)電阻的值最好高一些。

但選擇電阻值較高的電阻有一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確。為了盡量減少這些不準(zhǔn)確，定時(shí)電阻的值不應(yīng)該超過100萬歐姆。

觸發(fā)脈沖

555定時(shí)器的針腳2是一個(gè)觸發(fā)輸入。當(dāng)觸發(fā)輸入低于參考電壓，即1/3 VCC時(shí)，定時(shí)器的輸出為高電平，定時(shí)間隔開始。

觸發(fā)脈沖應(yīng)該瞬間低于參考電壓，持續(xù)時(shí)間很重要，因?yàn)樗粦?yīng)該比輸出脈沖長。

觸發(fā)脈沖一般通過一個(gè)狹窄的負(fù)向尖峰來識(shí)別。由一個(gè)電容和一個(gè)電阻組成的微分器電路將產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)稱的尖峰，但要用一個(gè)二極管來消除正向尖峰。

脈沖的持續(xù)時(shí)間由微分器電路決定（即它取決于電容器和電阻）。

應(yīng)用

自從70年代初引進(jìn)555集成電路以來，它已經(jīng)被研究人員和業(yè)余愛好者應(yīng)用于許多電路和應(yīng)用。555定時(shí)器的一些重要應(yīng)用領(lǐng)域是：

• 脈沖發(fā)生器

• 時(shí)間延遲的產(chǎn)生

• 精確計(jì)時(shí)

• 順序計(jì)時(shí)

• 脈沖寬度調(diào)制（PWM）

555定時(shí)器的典型應(yīng)用可以通過操作模式加以區(qū)分。根據(jù)它的工作模式，即在穩(wěn)態(tài)或單穩(wěn)態(tài)模式下，555集成電路的一些應(yīng)用是：

• 分頻器

• 線性斜率發(fā)生器

• 缺少的脈沖檢測(cè)器

• 脈沖位置調(diào)制

• 方波發(fā)生器

• 脈沖寬度調(diào)制

• 振蕩器

• 音調(diào)突發(fā)發(fā)生器

• 速度警告裝置

• 穩(wěn)壓的直流轉(zhuǎn)換器

• 電壓到頻率轉(zhuǎn)換器

• 低成本線路接收機(jī)

• 電纜測(cè)試儀