555定時器原理及應用（報告）

一. 555定時器簡介

1.1 概述

1.2 應用範圍

1.3 結構及其工作原理

1.3.1 電路結構

1.3.2 工作原理

二. 555定時器的應用

2.1 555定時器組成施密特觸發器

2.1.1 電路結構

2.1.2 工作原理

2.2 555定時器組成單穩態觸發器7

2.2.1 電路結構

2.2.2 工作原理

2.3 555定時器組成多諧振盪器

2.3.1 電路結構

2.3.2 工作原理

三. 基於555定時器的救護車發聲電路

3.1 工作原理

3.2 電路仿真

參考文獻

555定時器簡介

概述

555定時器是一種多用途的，集數字、模擬於一體的中規模集成電路，其應用極爲廣泛。它不僅用於信號的產生和變換，還常用於控制和檢測電路中。由於使用靈活、方便，故而在波形的產生與交換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領域中都得到了廣泛應用。

555定時器分爲雙極型和CMOS兩種類型，它們的結構及其工作原理基本相同歲，沒有本質的區別。一般來說，雙極型定時器的驅動能力較強，電源電壓範圍爲5~16V,最大的負載電流可以達到200 mA。而CMOS定時器的電源電壓範圍爲3~18V，最大負載電流在4 mA一下，它具有功耗低、輸入阻抗高等優點。

應用範圍

1. 構成施密特觸發器（雙穩態模式）。此模式下，在DIS引腳空置且不外接電容的情況下，555的工作方式類似於一個RS觸發器，可用於構成鎖存開關。用於TTL系統的接口，整形電路或脈衝鑑幅等。

2. 構成單穩態觸發器（單穩態模式）。在此模式下，555功能爲單次觸發，常用於定時延時整形及一些定時開關中。應用範圍包括定時器，脈衝丟失檢測，反彈跳開關，輕觸開關，分頻器，電容測量，脈衝寬度調製（PWM）等。

3. 構成多諧振盪器（無穩態模式）。在此模式下，555以振盪器的方式工作，用於組成信號產生電路。這一工作模式下的555芯片常被用於頻閃燈、脈衝發生器、邏輯電路時鐘、音調發生器、脈衝位置調製（PPM）等電路中。如果使用熱敏電阻作爲定時電阻，555可構成溫度傳感器，其輸出信號的頻率由溫度決定。

555應用電路採用這3種方式中的1種或多種組合起來可以組成各種實用的電子電路，如定時器、分頻器、元件參數和電路檢測電路、玩具遊戲機電路、音響告警電路、電源交換電路、頻率變換電路、自動控制電路等。

結構及其工作原理

電路結構

自從Signetics公司於1972年推出這種產品以後，國際上個主要的電子器件公司也都相繼的生產了各自的555定時器產品。儘管產品型號繁多，但是所有雙極型產品型號最後的3位數碼都是555，所有CMOS產品型號最後的4位數碼都是555.而且，它們的功能和外部引腳排列完全相同。

555定時器電路結構圖

555定時器的內部電路由分壓器、電壓比較器C₁、C₂、簡單SR鎖存器、放電三極管T_D以及緩衝器G組成，其內部結構如圖 1所示。

555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發器和放電管的狀態。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空（可對地接上0.01$\text{μF}$ 左右的濾波電壓），則電壓比較器 C₁ 的同相輸入端的電壓爲 $\ \frac{2}{3}V_{\text{cc}}$，C₂ 的反相輸入端的電壓爲V_cc 若觸發輸入端 TR 的電壓小於$\frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}}$，則比較器 C₂ 的輸出爲 0，可使 RS 觸發器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大於 $\ \frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}$，同時 TR 端的電壓大於$\frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}}$*，則 C₁ 的輸出爲 0，C₂ 的輸出爲 1，可將 RS 觸發器置 0，使輸出爲 0 電平。*如表 1所示，爲555定時器管腳的對應功能。

555定時器管腳對應功能表

  *序號*   *功能*
-------- -------------------
  *1*      *接地（GND）*
  *2*      *觸發輸入（TRI）*
  *3*      *輸出（Vo、OUT）*
  *4*      *復位（RESET）*
  *5*      *控制電壓（THL）*
  *6*      *閾值輸入（THR）*
  *7*      *放電端（DISC）*
  *8*      *電源（VCC）*

放電三極管T爲外接電路提供放點電路，在使用定時器時，該三極管的集電極（7腳）一般都要外接上拉電阻。

$\overline{R_{D}}$爲直接復位輸入端，當$\overline{R_{D}}$ 爲低電平時，不管其他的輸入端狀態如何，其輸入端V_o始終爲低電平。

工作原理

555定時器功能表

如表 2所示：

• 當v₁₁$> \frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}$，v₁₂$> \frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}}$時，比較器C₁輸出低電平，比較器C₂輸出高電平，簡單SR鎖存器Q端置0，放電三極管導通，輸出端v_o爲低電平。

• 當v₁₁$< \frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}$，v₁₂$< \frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}}$時，比較器C₁輸出高電平，比較器C₂輸出低電平，簡單SR鎖存器置1，放電三極管截止，輸出端v_o爲高電平。

• 當v₁₁$< \frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}$，v₁₂$> \frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}}$時，簡單SR鎖存器R=1,S=1,鎖存器狀態不變，電路保持原狀態不變。

2. 555定時器的應用

   555定時器組成施密特觸發器

施密特觸發器(反向)電路結構圖
圖片來自知網

工作原理

由555定時器功能表可知，當v_I$< \frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}$時，v_o輸出高電平；v_I繼續增加，若$\frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}} < v_{i}$<$\frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}$，輸出v_o維持高電平不變；v_I繼續增加，一旦v_I$> \frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}$時，v_o由高電平跳變到低電平。如圖 3爲 555定時器構成的施密特觸發器工作波形及電壓傳輸曲線。

若將施密特觸發器控制電壓（5腳）接V_IC，通過改變V_IC可以調節電路回差電壓的大小。

555定時器組成單穩態觸發器

單穩態觸發器電路結構圖
圖片來自知網

工作原理

在沒有觸發信號時，v_I處於高電平（v_I$\ > \frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}}$），如果接通電源後Q = 0，v_o = 0，T導通，電容通過放電三極管T放電，使得v_c = 0 。保持低電平不變。如果接通電源後Q = 1，放電三極管T就會截止，電源通過電阻R向電容C充電，當v_c上升到$\frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}$時，由於R = 0，S = 1，鎖存器置0，v_o爲低電平此時放電三極管T導通，電容C放電，v_o保持低電平不變。因此在電路通電後沒有觸發信號時，電路只有一種穩定狀態v_o = 0。

若觸發輸入端施加觸發信號（v_I$\ < \frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}}$）,電路的輸出狀態由低電平跳變爲高電平，電路進入暫穩態，放電三極管截止。此後電容C充電，當電容C充電至v_c = $\frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}$時，電路的輸出電壓v_o 由高電平反轉爲低電平，同時T導通，於是電容C放電，電路返回到穩定狀態。電路工作波形如圖 5。

若忽略T的飽和壓降，則可以得到v_c從零電平上升到$\frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}$需要的時間，即爲輸出電壓v_o的脈寬t_w

$\begin{matrix} t_{w} = RCln3 \approx 1.1RC \end{matrix}$

555定時器組成多諧振盪器

電路結構

工作原理

當電源接通時，電容C被充電，當v_c上升到$\frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}$時，使得v_c爲低電平，同時放電三極管T處於導通狀態，此時電容C通過R_2和T放電，v_c下降，當v_c下降到$\frac{1}{3}V_{\text{cc}}$時，v_o翻轉爲高電平。電容充電放電，循環往復，電容器C放電時間爲

$\begin{matrix} t_{\text{pL}} = R_{2}Cln2 \approx 0.7R_{2}C \end{matrix}$

當放電結束時，T截止，V_cc將通過R_1、R_2向電容器C充電，v_c由$\frac{1}{3}V_{\text{cc}}$上升到$\frac{2}{3}V_{\text{cc}}$所需要的時間爲

$\begin{matrix} t_{\text{pH}} = \left( R_{1} + R_{2} \right)Cln\ 2 \approx 0.7\left( R_{1} + R_{2} \right)C\end{matrix}$

當v_c上升到$\frac{2}{3}V_{\text{cc}}$時，電路又翻轉爲低電平。如此週而復始，於是，在電路的輸出端會得到一個週期性的矩形波。電路的工作波形如圖 6所示。

$\begin{matrix} f = \frac{1}{t_{\text{pL}} + t_{\text{pH}}} \approx \frac{1.43}{\left( R_{1} + 2R_{2} \right)C}\# 2.3.2.3 \\ \end{matrix}$

電路輸出波形的佔空比爲

$\begin{matrix} q\left( \% \right) = \frac{R_{A}}{R_{A} + R_{B}} \times 100\%\# 2.3.2.4 \\ \end{matrix}$

3. 基於555定時器的救護車發聲電路

   1. 工作原理

電路由兩隻555定時器、電阻、電容、揚聲器組成，兩隻555定時器都工作在多諧振盪狀態。555（0）的工作頻率比較低，頻率由555（0）的第3腳輸出振盪方波，通過R₃用來控制555（1）的振盪頻率。

　　因爲555的第5腳控制端外接一個參考電壓，可以改變觸發電平值，當555（0）的3腳輸出方波爲低電平時，通過R₃加到555（1）的5腳，555（1）的振盪頻率就變低，當555（0）的3腳輸出爲高電平時，555（1）的振盪頻率變高，其變化的信號通過C₃，使揚聲器發出高、低音交錯的鳴救護車的警笛聲。改變R₄、R₅、C₂的值，警笛聲的頻率也會發聲相應的變化。

由之前得到的公式：

$t_{\text{pH}} = \left( R_{1} + R_{2} \right)Cln\ 2 \approx 0.7\left( R_{1} + R_{2} \right)C$

將參數帶入，可以計算uo1的高電平持續時間爲：

$t_{\text{pH}} = 1.1s$

可以得到uo1 = 11V，U_co=8.8V，U_T+=8.8V ，U_T-=4.4V。

由

$T_{1} = \left( R_{1} + R_{2} \right)\text{Cln}\frac{U_{\text{cc}} - U_{T -}}{U_{\text{cc}} - U_{T +}} + R_{5}C_{2}ln2$

得到T₁，所以低頻率 $f_{1}\ $爲

$f_{1} = \frac{1}{T_{1}} = \ 611Hz$

所以uo1低電平持續時間爲

$t_{L} = R_{2}C_{1}ln2$

得到$t_{L} = 1.04s$，uo1 = 0.2V，U_co=8.8V，U_T+=6V ，U_T-=3V。

同理，可得到T₂ ，繼而算出高頻率 $f_{2} = \frac{1}{T_{2}} = 876Hz$

電路仿真

參考文獻

1. 康華光.電子技術基礎------數字部分[M].第五版.高等教育出版社.2005.07：414-423.

2. 硃紅永,陳勇,王博.555定時器構成的報警電路設計[J].內燃機與動力裝置,2009,(S1):65-66.

3. 李瑩.555定時器典型應用電路及其PCB設計[J].天津職業院校聯合學報,2016,18(04):80-86.

4. 鄒嵐.555定時器的典型電路及其實際應用[J].化工自動化及儀表,2017,44(04):406-409+414.

5. 李君,王兆欣,宋亞姬.論電路實驗在555定時器一課中的應用[J].電子測試,2018,(17):115-116.DOI:10.16520/j.cnki.1000-8519.2018.17.061

6. 姚遠香. ne555救護車警笛電路http://www.elecfans.com/d/711627.html[DB/CD]. 2018-07-17

7. zhouyr006救護車揚聲器發聲電路https://wenku.baidu.com/view/3ccd93b511661ed9ad51f01dc281e53a59025137.html [DB/CD]2019-03-30