555定时器原理及其实际应用电路分析

郑 江 云

( 安庆师范学院 物理与电气工程学院，安徽 安庆 246133)

555定时器原理及其实际应用电路分析

郑 江 云

( 安庆师范学院 物理与电气工程学院，安徽 安庆 246133)

555定时器在工业控制、定时及防盗报警等方面应用很广。采用不同的电路分别进行实验，给出了对应的实测波形和实验数据。实验教学表明，555定时器的实验结果和理论分析有明显不同，使用555定时器时，要根据实际需要，选择合适的电路与参数，从而避免出现错误的结果。

555定时器；施密特触发器；示波器；脉冲整形电路

555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。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。因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中得到了广泛的应用。

1 555定时器的电路结构

555定时器的电路结构[1]如图1所示，它主要由以下几个部分构成：

(1)电阻分压器：由3个5kΩ的电阻组成，为电压比较器C1和C2提供基准电压。

(2)电压比较器C1和C2：当同相端U+大于反相端U-时，UC输出高电平，反之则输出低电平。

(4)放电管T：是集电极开路的三极管，相当于一个受控电子开关。输出为0时，T导通，输出为1时，T截止。

(5)缓冲器：缓冲器由G3构成，用于提高电路的负载能力。

2 555定时器的工作原理

2.1 理论分析

表1 555 定时器功能表

2.2 运放输入端实际信号与外接信号源间的关系

理论分析时将电压比较器C1，C2的输入端内阻视为无穷大。2，6脚具有虚断的特点，即它们和外接信号之间没有电流，相当于开路，则它们的实际信号与外接信号源应该一致。为了验证这个结论的正确性，以下给出两个相应的实验。

1)将信号发生器输出直流分量为零的正弦信号，通过电容隔离后只接到TH端(6脚)，用示波器测得TH端的波形，如图2所示，它仍然为不失真的正弦波，该管脚实际波形与输入信号相同。

3 555定时器构成施密特触发器

施密特触发器抗干扰能力强，它的应用很多：波形变换，如将正弦波变成矩形波；可将变化缓慢的信号变为陡峭的矩形信号，若出现上升沿和下降沿不理想的情况，可用施密特触发器整形后，获得较理想的矩形脉冲；脉冲鉴幅，幅度不同、不规则的脉冲信号施加到施密特触发器的输入端时，能选择幅度大于欲设值的脉冲信号进行输出。

3.1 施密特触发器的理论电路及波形

555定时器构建施密特触发器的原理电路如图4(a)所示[1]，它是一种波形整形电路，当UI上升到略大于UR1(上阈值电压UT+)时，输出为低电平；当UI下降到略小于UR2(下阈值电压UT-)时，输出变为高电平，波形如图4(b)所示。理论上，当任何波形的信号进入电路时，输出在正、负饱和之间跳动，产生矩形波输出。

按照图4(a)搭接电路，Ui来自信号发生器，实测波形如图4(c)所示，显然和理论结果图4(b)不同，该电路虽然也能产生矩形波，但输出正负跳变时刻所对应的输入大小是一样的，即UT+和UT-相同。此试验说明，如果图4(a)中的输入来自信号发生器，实际上并不能实现施密特触发器的功能。

(a)电路 (b)理论波形 (c)实际波形

图4 555定时器构建施密特触发器电路及波形图

3.2 施密特触发器的实际电路与实测性能

由于在实际应用中发现了和理论电路不同的结果，本文试验了几种施密特触发器电路，下面分别进行讨论。

3.2.1 改进的施密特触发器及其实际波形

为了改善图4(a)的缺陷，实验中，在输入Ui与2，6脚间增加一个隔离电容，如图5(a)所示。图5(b)是实测波形，正弦波是输入信号，矩形波是输出，从Ui和U0的对应关系可以看出，UT+和UT-是不同的，实现了施密特触发器的滞回功能。虽然图5(a)比图4(a)仅多了一个电容，但实验结果却有实质性不同，因而有实用价值。

当图5(a)中Ui增大到5Vpp时，U0会失真，如图5(c)所示。这种失真的方波，如果送给对波形的跳变沿敏感电路(如触发器时钟输入端)时，就会使后面电路产生错误的结果。如测量正弦波频率值的电路，一般的思路是先将正弦波通过施密特触发器转换为不失真的矩形波，然后用该矩形波作为计数器的时钟信号，则计数器工作一秒的输出就是该正弦波的频率。如果用失真后的矩形波作为时钟信号，计数器的输出就不是该正弦波的频率，因为这样的矩形波在一个正弦波周期内至少有两次跳变沿。要有不失真的矩形波输出，输入信号就不能太大，如图5(a)，Ui不能大于5Vpp。

(a)电路 (b) 正常的矩形波输出 (c)失真的矩形波输出

图5 Ui与2，6脚间加隔离电容的电路及波形

3.2.2 几种施密特触发器的性能比较

为了对555定时器构成的施密特触发器有全面的了解，设计了如图6所示的几种电路，表2给出了对应的实测性能指标。

(a) (b)[2](c)

表2 图6所示电路的实测性能指标

表2中几个物理量的意义：

UT+：当Ui在上升的过程中，U0发生跳变时所对应的Ui值，称为上阈值电压。

UT-：当Ui在下降的过程中，U0发生跳变时所对应的Ui值，称为下阈值电压。

Uimin：使电路输出正常矩形波所要求的最小的输入电压值。当Ui小于Uimin时，输出变为一条直线，不能完成波形变换的功能。

Uimax：当电路刚输出失真矩形波时的输入电压值。当Ui比Uimax大的越多，输出的失真就越严重。

从表2中所示的实验结果可知：

1)图6所示的几种电路，回差电压(UT+与UT-的差值)基本相等，约等于Vcc/3，但上下阈值电压UT+和UT-的实际值与电路形式有关。如分压电阻R1，R2，以及串联电阻R都会影响UT+和UT-；

2)电路没有串联电阻R时，Uimax和Uimin的差值较小，说明要输出正常的方波，输入电压的变化范围小，如图6(a)～6(d)，Uimax-Uimin只有0～3 V左右，特别是图6(b)的，Uimax和Uimin基本相等，这种电路是没有实用价值的。而串联了R后，Uimax和Uimin的差值就变得很大，如图6(e)和图6(f)，Uimax-Uimin可以达到接近20 V，对输入电压的适应性大大提高。

所以在实际应用中，应根据对阈值电压的要求，以及输入信号可能的变化范围，选择合适的电路形式及参数大小，使施密特触发器的功能得以实现，如波形变换、整形以及脉冲鉴幅等。

[1] 余孟尝. 数字电子技术基础简明教程[M].3版.北京：高等教育出版社，2006:395-406.

[2] 陈大钦, 电子技术基础实验[M].2版.北京：高等教育出版社，2007:146-149.

[3] 孙余凯, 吴鸣山, 项绮明. 555时基电路识图[M]. 北京：电子工业出版社，2007:42-44.

Discussion on the Principle and Application of 555 Timer Circuit

ZHENG Jiang-yun

(School of Physics and Electronic Engineering, Anqing Teachers College, Anqing 246133,China)

555 timer has wide application in the industrial control, timing and burglar alarm. The paper carried out the experiments of different circuits, measured the corresponding waveform and experimental data. Experimental results show that actual results of the 555 timer are different from theoretical results.

555 timer, Schmidt trigger, oscillometer, pulse shaper circuit

2015-01-21

郑江云，女，安徽怀宁人，硕士，安庆师范学院物理与电气工程学院副教授，研究方向为电子技术、图像评价。

时间：2016-1-5 13:01 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160105.1301.018.html

TN710

A

1007-4260(2015)04-0073-04

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.04.018