555定时器简介、组成部分及基本功能

555定时器简介

定时器(timer)也称时基(timebase)电路，它可以作为定时器件用。555 定时器集成模拟和数字电路，只需要添加有限的外围元器件，就可以极其方便地构成许多实用的电子电路，如施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等。

内部组成部分

1、电压比较器

C1和C2是两个结构完全相同的高精度电压比较器。当比较器的同相输入端v+大于反相输入端v-时，其输出为高电平；反之，当 v+ < v- 时，其输出为低电平。

2、分压电阻

由3个阻值为5k的电阻串联构成分压器，为2个电压比较器提供参考电压。通过改变引脚5的接法可以改变C1和C2的参考电压,当引脚5通过10K电阻接地,则C1和C2的参考电压分别为VREF1 = 1/2Vcc和VREF2 = 1/4Vcc；当引脚5加控制电压VDD时，则C1和C2的参考电压分别为VREF1 = VDD和VREF2 = 1/2VDD；当引脚5不加控制电压时，一般不可悬空，可通过1个小电容(0.01~0.1μF）接地，以旁路高频干扰，此时C1和C2的参考电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc.

3、基本RS触发器

由与非门G1和G2构成基本 RS 触发器,它的状态由2个电压比较器的输出来控制。其中R非是专门设置的可从外部直接异步置0的复位端，低电平有效。

4、泄放三极管

三极管VTD是集电极开路输出三极管，为外接电容提供充、放电回路，称为泄放三极管。基本RS触发器输出Q=1时VTD导通;反之，Q=0时VTD截止。

6、反相器

反相器G3为输出缓冲反相器，它的设计考虑了有较大的驱动电流能力，一般可驱动 2个TTL门电路；同时，还可隔离负载对定时器的影响，起整形作用。

555定时器的基本功能

综上所述，555定时器的主要功能取决于2个电压比较器C1和C2的输出，其输出控制着基本RS触发器和泄放三极管VTD的状态。当R非=1，并且引脚5不外接电压而是对地接1个小电容时，电路的具体工作情况如下:

当v11 > 2/3Vcc，v12 > 1/3Vcc时，C1输出为0，C2输出为1，基本RS触发器被置1，VTD导通，VO输出为低电平。此时常称为高触发功能，高触发的主要触发条件是 v11 > 2/3Vcc 。

当v11 < 2/3Vcc，v12 < 1/3Vcc时，C1输出为1，C2输出为0，基本RS触发器被置0，VTD截止，VO输出为高电平。此时常称为低触发功能，低触发的主要触发条件是 v12 < 1/3Vcc 。

当v11 < 2/3Vcc，v12 > 1/3Vcc时，C1和C2输出均为1，基本RS触发器状态保持不变，因此VTD和VO状态也保持不变。

555定时器构成的施密特触发器

施密特触发器(Schmitt FF)是数字系统中常用的一种波形变换电路，工作时具有稳态I和稳态II两个稳定的工作状态，属于双稳态电路。

用555定时器构成的施密特触发器电路如图1（a）所示。图中，555定时器2个电压比较器输入端(6)和(2)连在一起，外接输入电压，作为施密特触发器的输入端；清0端R非(4)接高电平Vcc；Vco(5)端对地接0.01μF电容，起滤波作用，为的是提高比较器参考电压的稳定性。这样，输入V1的大小将直接影响 555 定时器两个电压比较器C1和C2的输出进而影响电路的输出状态。

图1

1、工作原理

如果在施密特触发器输入端V1加正弦波，则可在输出端得到如图1 (b)所示的矩形脉冲。其工作过程如下:

当V1 < 1/3Vcc*时，对于C1，由于 v1+ > v1- ，输出为高电平;对于C2，由于 v2+ < v2- ，输出为低电平。这样，基本RS触发器被置0，电路输出为高电平，可视作电路处于稳态I。此时的主要触发条件是 v1 < 1/3Vcc ，相当于低触发功能。

当1/3Vcc < V1 < 2/3Vcc时，对于C1和C2，由于都存在 v+ > v- ，因此二者输出均为高电平，这样，基本RS触发器状态保持不变，电路输出也不会发生变化。

当 V1 ≥ Vcc时，对于C1，由于 v1+ < v1- ，输出为低电平；对于C2，由于 v2+ > v2- ，输出为高电平。这样，基本RS触发器被置1，电路输出为低电平，可视作电路处于稳态II。此时的主要触发条件是 v1 ≥ Vcc ，相当于高触发功能。

显然，若V1继续上升，电路输出则持续为低电平，保持在稳态I。而当V1由最大值逐步下降，只有当V1下降至 V1 ≤ Vcc时，C1和C2输出分别为高电平和低电平，基本RS触发器被置0，电路输出由低电平变为高电平，状态又发生一次翻转，返回到稳态I。

2、主要参数

由以上分析可见，施密特触发器有2种稳定工作状态，具体处于哪一种工作状态，取决于输入信号电平的高低。当输入信号由低电平逐步上升到某一电平 (VT+)时，电路状态发生1次转换:当输入信号由高电平逐步下降到某一电平 (VT-)时，电路状态又会发生1次转换。因此，它是电平触发的双稳态电路。

图2

施密特触发器的上限触发电平VT+和下限触发电平VT-的差值称为施密特触发器的回差电压△VT，2次触发电平的不一致性称为施密特触发器的回差特性，又叫滞迟特性，这正是施密特触发器最重要的电气特性。

显然，对于图1(a)有

VT+ = 2/3Vcc；VT- = 1/3Vcc

△VT = VT+ - VT- = 1/3Vcc

图1(a)所示电路的电压传输特性曲线如图2所示。通过改变电压控制端Vco(5)的电压值即可改变回差电压的大小。通常，Vco(5)端电压越高，施密特触发器的回差电压就越大，电路的抗干扰能力也越强，但灵敏度会相应降低。

555定时器构成的单稳态触发器

单稳态触发器(one-shot monostable multivibrator)，又称单稳态振荡器(monostablemultivibrator)，是广泛应用于脉冲整形、延时和定时的常用电路。单稳态触发器具有稳态和暂稳态 2个不同的工作状态，是单稳态电路。当无输入信号触发时电路处于稳态;在外界触发脉冲作用下，电路状态转换进入暂稳态，在暂稳态持续一定时间后，又会自动地翻转到稳态。

用555定时器构成的单稳态触发器电路如图3(a)所。图中以V12(2)端作输入触发端，V1的下降沿触发；清0端R(4)接高电平Vc；将VTD三极管的集电极输出Vo(7)端通过电阻R接Vcc，构成反相器；VTD反相器输出端Vo(7)通过电容C接地；同时，Vo(7)和V11(6)端连在一起；Vco(5)端对地接0.01μF电容，以防干扰。

图3

1、工作原理

单稳态触发器的工作波形如图3(b)所示。其工作过程如下：

设电源接通后，没有触发信号，输入信号 V1 = Vcc ，电路已达到稳态，输出为低电平。

在稳态期间，由于 V1 = Vcc ，对于电压比较器C2， v2+ > v2- ，输出为高电平。电源刚接通时，电路会有一个暂态过程，即Vcc通过电阻R对电容C充电，使V11(6)电位上升。当(6)充电至大于2/3Vcc时，对比较器C1，就会出现 v1+ < v1- ，输出为低电平。这样，基本RS触发器被置1，电路输出Vo为低电平。同时，Q=1使泄放三极管VTD导通，电容C将通过VTD放电当V11(6)放电至小于1/3Vcc时，比较器C1输出也为高电平，最高电容C放电至0。这样，由于C1和C2输出均为高电平，基本RS触发器状态保持不变，电路输出也不会发生变化，电路将稳定的处于Vo=VoL=0V。

当输入触发端V1下降沿到达时，由于 V1 = 0V < 1/3Vcc ，对比较器C1将会出现 v2+ < v2- ，输出为低电平。这样，基本RS触发器被置0，电路输出为高电平Vo=VOH=Vcc。电路受到触发发生一次翻转，进入到暂稳态。

在暂稳态期间，由于Q=0使VTD截止，则Vcc通过R对C进行充电，使V11(6)电位逐步上升。当V11(6) ≥ Vcc时，C1出现 v1+ < v1- ，输出为低电平。这样，基本RS触发器被置1，电路输出Vo为低电平，又自动发生一次翻转，暂稳态结束。与此同时，Q=1使VT导通，电容C很快通过VT放电至0，电路恢复到初始的稳定状态。

这时，由于 V11(6) < 2/3Vcc ，C1输出为高电平，基本RS触发器状态保持不变，电路为下次触发翻转做好了准备。当下一个触发信号到来时，又重复上述过程。

2、主要参数的估算

由以上分析可见，输出脉冲的宽度tw是暂稳态的持续时间，为电容C的电压从0上升到2/3Vcc所需的时间。

暂稳态持续时间的长短取决于电路本身的参数，即外接定时元件R和C，而与外界触发脉冲无关。通常，电阻R取值在几百欧至几兆欧范围内，电容C取值在几百皮法至几百微法，所以tw对应范围可在几微秒到几分钟。tw越大，电路的精度和稳定度会相对下降。

555定时器构成的多谐振荡器

用555定时器构成的多谐振荡器电路如图4 所示。图中，清0端R非(4)接高电平Vcc；Vco(5)端对地接0.01μF电容，起滤波作用；V11(6)和V12(2)相连并通过电容C接地，同时还通过R接到VTD输出端Vo(7)；此外，Vo(7)端通过R1接电源Vcc，这样，VTD就构成了集电极开路门反相器的形式。图中，R1、R2、C均是定时元件。多谐振荡器V11(6)和V12(2)相连的接法和施密特的接法一致，所不同的是施密特的输入由V1提供，而多谐振荡器的输入是由电容电压Vc提供。

图4

1、工作原理

其工作过程如下。

假设接通电源之前，电容电压Vc(即V11(6)和V12(2)）为零。在电路接通电源时，由于Vc不能跳变，所以比较器C1和C2的输出分别为高电平和低电平。这样，基本RS触发器被置0，电路输出为高电平。同时，Q=0使三极管VTD截止，电容C开始充电，充电路径为Vcc -> R1 -> R2 -> C -> 地，充电时间常数为τ = (R1+R2)C。随着充电的进行，Vc电位不断升高，但只要 Vc < 2/3Vcc ，电路的输出 Vo=VoH=Vcc就保持不变，这就是暂稳态I。

随着充电的进行，Vc电位继续升高，当Vc ≥ 2/3Vcc时，C1和C2的输出分别为低电平和高电平。这样，基本RS触发器被置1，电路输出为低电平，发生第1次自动翻转。同时，Q=1使三极管VTD导通，电容C开始放电，放电路径为C -> R2 -> VTD -> 地，放电时间常数为τ2 = R2C。随着放电的进行，Vc电位不断下降，但只要 2/3Vcc > Vc >1/3Vcc ，电路的输出Vo=VoL =0V就保持不变，这就是暂稳态II。

随着放电的进行，Vc电位继续下降，当Vc下降至Vc < 1/3Vcc时，基本RS触发器被置0，电路输出为高电平，发生第2次自动翻转。同时，Q=0使三极管VTD截止，电源Vcc又通过(R1+R2)对电容C再次充电，重复上述过程，如此反复，形成自激多谐振荡，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。

2、主要参数的估算

由上述工作过程分析和工作波形可知，暂稳态I持续时间tW1为电容电压由Vcc/3充电至2Vcc/3所需的时间；暂稳态 II 持续时间tW2为电容电压由2Vcc/3放电至 Vcc/3 所需要的时间。可得

电路输出矩形脉冲的周期为

矩形脉冲占空比为

不难看出，图4中由555构成的多谐振荡器只能生成占空比大于50%的矩形波，我们可以增加两个二极管，如图5所示，即可产生任意占空比的矩形波。

图5

tw1 = 0.7R1C

tw2 = 0.7R2C

T = tw1 + tw2 = 0.7*(R1+R2)*C

q = tw1/T = R1/(R1+R2)