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555 定时器及其应用

第 6 章 脉冲波形发生器与整形电路. 555 定时器及其应用. 集成和其它 单稳态触发器. 集成 施密特 触发器. 其它 多谐振荡器电路. 脉冲产生与整形电路的 应用. 本章教学基本要求 :. 熟悉 :. (1)555 定时器电路的结构、工作原理和引脚功能 . (2) 由 555 定时器组成的单稳态触发器、多谐振荡和施密特触发器的电路、工作波形和参数的计算。 （ 3 ）集成单稳态触发器和集成施特触以器的应用电路。. 了解： 石英晶体和门电路构成的方波发生器的基本电路。. 6.1 555 定时器用其应用.

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555 定时器及其应用

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  1. 第6章 脉冲波形发生器与整形电路 555定时器及其应用 集成和其它单稳态触发器 集成施密特触发器 其它多谐振荡器电路 脉冲产生与整形电路的应用

  2. 本章教学基本要求: 熟悉: (1)555定时器电路的结构、工作原理和引脚功能. (2) 由555定时器组成的单稳态触发器、多谐振荡和施密特触发器的电路、工作波形和参数的计算。 （3）集成单稳态触发器和集成施特触以器的应用电路。 了解： 石英晶体和门电路构成的方波发生器的基本电路。

  3. 6.1 555定时器用其应用 555定时器是中规模集成电路。只要外接少量的阻容 元件，就可以很方便地构成单稳态触发器、多谐振荡器、 和施密特触发器。 根据内部器件类型可分为双极型(TTL型)和单极型 (CMOS型),双极型型号为555(单)和556(双)，电压使用范围 为5到16V，输出最大负载电流可达到200mA。单极型型号为 7555(单)和7556(双)，电压使用范围为3到18V。输出最大 负载电流为4mA。

  4. 下图为:双极型555定时器内部逻辑电路结构图和逻辑符号图。下图为:双极型555定时器内部逻辑电路结构图和逻辑符号图。 当u+ > u-时，输出uc为高电平 （1态）。 当u+ < u-时，输出uc为高电平（0态）。 当VC悬空时，u1+ = 2/3VCC 三个5kΩ电阻构成分压器 u2- = 1/3VCC

  5. 输 入 输 出 TH TR RD OUT=Q V 状态 0 0 导通 × × 1 0 导通 1 1 截止 1 不变 不变 6.1.1 555定时器的结构及工作原理 定时器 5G555 的功能表 0 1 0 导通 1 直接置 0 端 RD 低电平有效，优先级最高。不用时应使其为1.

  6. 定时器 5G555 的功能表 输 入 输 出 TH TR RD OUT=Q V 状态 0 0 导通 × × 1 0 导通 1 1 截止 1 不变 不变 555 定时器的工作原理与逻辑功能 1 0 0 0 1 1 导通

  7. 定时器 5G555 的功能表 输 入 输 出 TH TR RD OUT=Q V 状态 0 0 导通 × × 1 0 导通 1 1 截止 1 不变 不变 555 定时器的工作原理与逻辑功能 0 1 1 1 0 截止 0

  8. 定时器 5G555 的功能表 输 入 输 出 TH TR RD OUT=Q V 状态 0 0 导通 × × 1 0 导通 1 1 截止 1 不变 不变 555 定时器的工作原理与逻辑功能 1 1

  9. (1)RD 低电平有效,优先级最高， 不用时应接高电平。 输 入 输 出 RD TH TR OUT V 状态 0 0 导通 × × (2)TH 和 TR 均为高电平时输出 0，均为低电平时输出1。 1 0 导通 1 1 (3)TR 低电平有效，TH 高电平 有效，因此，TH 加低电平、TR 加高电平时为非有效电 　平，电路状态不变。 1 1 截止 0 0 归纳出：TH、TR 和 Q ： 1 、 1出 0； 0 、 0出 1； 0 、 1不 变。 1 不变 不变 1 0 (4)输出0时，Q=1，因此V导通；输出1时，Q=0，故V截止。 (5)注意：①TH电平高低是与2/3VCC 相比较，TR电平高低是与 1/3VCC 相比较。 ②若控制输入端VC加输入电压uCO ，则UR1 =uCO UR2 =uCO/2，故TH和TR电平高低的比较值将变成uCO 和uCO/2。 简化功能表 使用要点 　　通常不用 VC端，为了提高电路工作稳定性，将其通过 0.01 F 电容接地。

  10. 单稳态触发电路只存在一种稳定工作状态，它有以下特点：单稳态触发电路只存在一种稳定工作状态，它有以下特点： 6.1.2 用555定时器组成单稳态触发器电路 电路在无外加触发信号作用时，处于一种稳定工作状态，称之为稳态。 当输入端有外加触发脉冲信号的上升沿或下降沿(由电路而定)作用时，输出状态立即发生跳变。此后，电路进入暂时稳定状态，称为暂稳态。过一段时间，电路自动恢复原先的稳态。暂稳态的时间与电路的阈值电压及外接R、C参数有关。 这种电路只有一种稳定状态，称为单稳态触发器。本节介绍555定时器组成单稳态触发器的电路。

  11. 一、电路的组成及工作原理 “6”号引脚为电容电压uC “2”号引脚为输入电压uI

  12. 电源端 直接复位 VCC RD 8 4 电路符号 C1 5 k G1 G3 4 8 VC 5 UR1 UR1 控制电压 3 OUT Q R VCC RD 6 输出端 3 TH 6 复位控制 TH OUT 　　构成电压比较器，比较 TH 与 UR1 和TR 与 UR2 的大小。 C2 5 k 2 555 TR TR 2 置位控制 5 S 7 CO Q DIS UR2 UR2 G2 GND 5 k 1 DIS 7 放电端 R V 1 GND 接地端 放电管，其输入为 Q，输出为开路集电极。 Q 一、555 定时器的电路结构及符号 　　构成基本 RS 触发器，决定电路输出。 输出缓冲器OUT = Q 　　构成电阻分压器，为比较器C1、C2 提供两个参考电压，UR1 = 2/3VCC，UR2 = 1/3VCC。 集电极开路输出端

  13. 三、用555 定时器组成单稳态触发器 uI TR VCC VCC R R VCC RD TH TH uO uO OUT OUT VCC RD uI TR 555 DIS DIS + + CO uC uC C C GND CO 0.01 F - - GND 0.01 F (一)电路结构 R、C 为定时元件

  14. 充电 0V UOL UIH 放电 V uI uI 　　当 uC≥ 2/3 VCC 时，满足 TR = uI > 1/3 VCC，TH = uI ≥ 2/3 VCC,因此 uO 为低电平，V 导通，电容 C 经放电管 V 迅速放电完毕，uC 0 V。 tWI tWI UIH UIH O O t t uC uC VCC VCC 　　这时TR = UIH > 1/3 VCC，TH = uC 0 < 2/3 VCC，uO 保持低电平不变。因此，稳态时 uC 0 V，uO 为低电平。 O O t t uO uO UOH UOH tWO tWO UOL UOL O O t t (二)工作原理、工作波形与参数估算 工作原理 1. 稳定状态 导通 　　该电路触发信号为负脉冲，不加触发信号时，uI =UIH (应>1/3VCC)。 　　接通电源后 VCC 经 R 向 C 充电，使 uC上升。

  15. 充电 当输入 uI 由高电平跃变为低电平(应< 1/3 VCC )时，使TR = UIL<1/3 VCC而TH = uC 0 V < 2/3 VCC，因此 uO 跃变为高电平，进入暂稳态，这时放电管 V 截止，VCC 又经 R 向 C 充电，uC上升。 UOH UIL uI tWI UIH O t uC VCC O t uO UOH tWO UOL O t 2. 触发进入暂稳态

  16. TH≥2/3 VCC 当输入 uI 由高电平跃变为低电平(应< 1/3 VCC)时，使TR = UIL<1/3 VCC 而TH = uC 0 V < 2/3 VCC，因此 uO 跃变为高电平，进入暂稳态，这时放电管 V 截止，VCC 又经 R 向 C 充电，uC上升。 UOL UIH 放电 V uI tWI UIH O t 当 uC上升到 uC≥2/3 VCC 时，TH=uC≥2/3VCC，而TR = uI = UIH(> 1/3 VCC )，因此 uO 重新跃变为低电平。同时，放电管导通，C经 V 迅速放电 uC 0 V，放电完毕后，电路返回稳态。 uC VCC O t uO UOH tWO UOL O t 2. 触发进入暂稳态 这时 uI 必须已恢复为高电平 3. 自动返回稳定状态

  17. uI tWI UIH O t uC VCC 故 可取标称值33 F。 O t uO UOH tWO UOL O t 　　输出脉冲宽度 tW 即为暂稳态维持时间，主要取决于充放电元件 R、C。 估算公式 tWO  1.1 RC 该单稳态触发器为不可重复触发器，且要求输入脉宽 tWI 小于输出脉宽 tWO 。 [例] 用上述单稳态电路输出定时时间为1 s 的正脉冲，R = 27 k，试确定定时元件C 的取值。 解： 因为tWO 1.1 RC

  18. 三.应用举例 1、脉宽的定时 通过 由于单稳态电路能产生一定宽度tW的矩形脉冲，利用这个脉冲可以控制某电路在 tW时间内动作，这就是脉宽的定时作用。 如左图所示，定时电路只有在输入uI下跳沿触发下，使单稳态电路产生脉冲定时信号uB，在 tW的时间内，信号uA才通过与门输出。

  19. 2、脉冲宽度调制器 由于555定时器内部比较器C1的参考电压u1+按uIC正弦规律变化，因此在uCP的下跳沿触发下，电容C开始充电，这样要求uC使电路恢复稳态所需阈值电压和暂稳态持续时间tW也随正弦电压高、低而变。因而在输出端为一串宽度受正弦波调制的脉冲波形。

  20. 6.1.3 用555定时器组成施密特触发器 施密特触发器的特性和符号。 UT+：正向阈值电压　　　UT-：负向阈值电压 回差电压:UH = UT+-UT- 施密特触发器 (a)反相输出的传输特性 (b)反相输出的符号图 (C)同相输出的传输特性.

  21. 输 入 输 出 RD TH TR OUT V 状态 uO UOH 0 0 导通 × × 1 0 导通 uI uO UOL 1 1 截止 0 uI 0 uO 1/3VCC 2/3VCC 1/3VCC 1 不变 不变 当TH=TR=uI>2/3VCC时 UOH 当TH=TR=uI<1/3VCC时 当1/3VCC < TH=TR=uI<2/3VCC时 UOL uI 0 2/3VCC 1/3VCC 当uI<1/3VCC时 当uI由高电平逐渐下降，且1/3VCC <uI<1/3VCC时 UT+ = 2/3 VCC UT-= 1/3 VCC UT = UT+ -UT-= 1/3 VCC 电压传输特性为反相输出的滞回特性

  22. 一．电路组成及工作原理 在uI的a至b段，uI由小到大，在未达到2/3VCC之前，6号、2号引脚状态为0、0和0、1，故3号引脚输出uO1为1态； 当uI达到b点为UT+=2/3VCC时，6号、2号引脚状态为1、1，输出uO1翻转为0； 在uI为b-c-d期间，6号、2号引脚状态为1、1，0、1，输出uO1仍维持为0；

  23. 一．电路组成及工作原理 当 uI达到 d 点为UT- = 1/3VCC时，6号、2号引脚状态为0、0，输出又翻转为1态． 在d-e-f期间，6号，2号引脚状态为0、0和0、1，输出uO1仍维持为1， 直到 uI 达到f点为2/3VCC，uO1又变为1态。这样将输入 uI 的三角波转为方波输出，因此又称为整形。

  24. 二、应用举例 １．波形的变换或整形 ． 脉宽tw可由△UH控制，可将不规则的波形整形成矩形波。 回差电压△UH=UT+-UT-较小时，抗干扰能力较差，输出uo也受输入干扰影响．如果将回差电压扩大为△U’H=UT+-U’T-，则输出 u’0可不受干扰影响。

  25. ２．幅度鉴别 利用施密特触发器，从一串幅度不等的脉冲中，将幅度较大的信号鉴别出来，称为幅度鉴别，其波形如下图示．当输入脉冲幅度大于UT+时，有信号输出，小于UT-时，无信号输出．

  26. 多谐振荡器是产生矩形波的自激振荡器。由于矩形波包含基波和高次谐波等较多成分，因此称为多谐振荡器。另外，这类电路不存在稳态，故又称无稳态电路。多谐振荡器是产生矩形波的自激振荡器。由于矩形波包含基波和高次谐波等较多成分，因此称为多谐振荡器。另外，这类电路不存在稳态，故又称无稳态电路。 6.1.4 用555定时器组成的多谐振荡器

  27. 一、电路的组成及工作原理 用555定时器组成的多谐振荡器电路和工作波形 分别如下图所示：

  28. 充电 接通 VCC 后，开始时 TH = TR = uC0，uO 为高电平，放电管截止，VCC 经 R1、R2 向 C 充电，uC上升，这时电路处于暂稳态Ⅰ。 TH = TR = uC 很小 uC O t uO UOH tWH tWL Ⅱ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ UOL Ⅰ O t 工作原理、工作波形与周期估算 工作原理 UOH

  29. 放电 接通 VCC 后，开始时 TH = TR = uC0，uO 为高电平，放电管截止，VCC经 R1、R2 向 C 充电，uC上升，这时电路处于暂稳态Ⅰ。 TH=TR≥2/3VCC uC 当 uC 上升到TH = TR = uC≥2/3 VCC 时，uO 跃变为低电平，同时放电管V 导通，C 经 R2 和 V 放电，uC下降，电路进入暂稳态 Ⅱ。 O t uO UOH tWH tWL Ⅱ Ⅱ Ⅰ Ⅰ Ⅱ UOL Ⅰ O t 工作原理 UOL

  30. 接通 VCC 后，开始时 TH = TR = uC0，uO 为高电平，放电管截止，VCC 经 R1、R2 向 C 充电，uC上升，这时电路处于暂稳态Ⅰ。 TH=TR≤1/3VCC uC 当 uC 上升到TH = TR = uC ≥2/3 VCC时，uO 跃变为低电平，同时放电管V 导通，C 经 R2 和 V 放电，uC 下降，电路进入暂稳态 Ⅱ。 O t uO 当 uC 下降到TH = TR = uC≤1/3 VCC 时， uO 重新跃变为高电平，同时放电管 V 截止，C 又被充电，uC上升，电路又返回到暂稳态Ⅰ。 UOH tWH tWL Ⅱ Ⅰ Ⅰ Ⅱ UOL Ⅰ Ⅰ O t 工作原理

  31. uC O t uO UOH tWH tWL Ⅱ Ⅰ Ⅰ Ⅱ UOL Ⅰ O t 　　电容 C 如此循环充电和放电，使电路产生振荡，输出矩形脉冲。 二、振荡频率的计算 tWH  0.7 (R1 + R2)C tWL  0.7 R2C T = tWH + tWL  0.7 (R1 + 2R2)C

  32. 6.2 集成和其它单稳态触发器 组成单稳态触发器的电路很多，可以用TTL或CMOS的与非门、或非门外接R、C元件组成，另外还有单片集成单稳态触发器电路。 6.2.1　微分型单稳态触发器 由CMOS或非门组成的微分型单稳态触发器。其中ＲＣ环节构成微分电路，故称为微分型单稳态触发器。 为了讨论方便，把ＣＭＯＳ或非门的传输特性作理想化折线处理。 使输出状态发生翻转的输入电压称为阈值电压UTH， 当输入uI≥ UTH时，输出UO= 0 当输入uI ≤ UTH时， 输出UO =VDD

  33. 通过R对Ｃ充电 一、电路组成及工作原理 １、稳定状态 在0—t1期间，当输入没有触发信号时，Ui= 0。这时电路处于稳态，电源VDD通过电阻Ｒ对Ｃ充电达到稳定值， 故UC＝ VDD，使UO ＝０。由此可知或非门Ｇ１输出UO＝ VDD。电容两端的电压接近0。

  34. 一、电路组成及工作原理 ２、当外加触发信号时，电路由稳态转为暂稳态 在t1时刻，当输入uI在脉冲信号上升沿的高电平VDD作用下，使UO1由１跳变到０时，由于ＲＣ电路中电容Ｃ上的电压不能突变，因此UC也由１变到０，使G2门输出由０变到１，并返送到Ｇ１门的输入。输入信号uI高电平撤消后，uo1仍可保持低电平，但不可能永久保持，故称为暂稳态。

  35. 一、电路组成及工作原理 3.由暂稳态自动返回稳态 在t1∽t2暂稳态期间，电源VDD经电阻Ｒ通过门Ｇ１的导通管Ｔ4对电容Ｃ充电，如图所示。充电时间常数为　tc=(R+Ron)C≈RC这时uc上升，当uc≧ＵTH时，电路发生如下反馈过程。　　　　　　 　　　 Ｃ充电→uc↑→uo↓→uo1↑ 迅速使uO1变为高电平，uO变为低电平，电路自动恢复到稳态，uO1由０跳变到VDD，由于电容两端电压不能突变，按理uc由UTH　上跳到UTH+VDD，uc只能跃升到VDD+0.6V。 电容充、放电回路图

  36. 一、电路组成及工作原理 ４、电路恢复到稳态时初始值的过程 在t2时刻，暂稳态结束后，电容Ｃ一路通过Ｒ 经门Ｇ１的T1、T2管放电，另一路经门G2输入二极管D1、D3放电，使uc恢复到稳态时的原始值VDD。放电时间常数гd =(R∥rD)C≈rDC　　。放电时间很短。 电容充、放电回路图

  37. 二、输出波形主要参数的计算 １、输出脉冲宽度two 暂稳态t1—t2的时间即为输出脉冲宽度two。为计算方便，以t1时刻作为计算时间起点，由uc波形可得： Uc(0+)≈0, uc(∞)=VDD, uc(tW)=UTH=1/2VDD, г≈RC 2、恢复时间tre 从暂稳态结束到电路恢复到稳态初始值所需时间 tre≈3rd≈3rDC。 3、最高工作频率fmax 触发脉冲工作最小周期 Tmin 必须大于 two+tre, 输入脉宽tw1<two, 最高工作频率为 fmax=1/Tmin<1/(two+tre)

  38. TR+为上升沿触发信号输入端， TR-反为下降沿触发信号输入端， 这两者为“或”的关系，故逻辑 符号内有或逻辑符号。 6.2.2 集成单稳态触发器 Rext/Cext和Cext的引脚分别与 电容元件相连，不属于逻辑状态 连接，故在逻辑符号图引线上 用“Ｘ”号表示。 一、高速CMOS集成双可重触发单稳态触发器54/74HC4538的功能。 符号框图及外接R、C连线图 逻辑符号图 54/74HC4538双可重触发单稳态触发器

  39. 54/74HC4538 的功能 １、清零功能 　　如序号１所列，当RD＝０时，不论其它输入引脚为何种状态，输出端Ｑ立即出０，Ｑ出１，故ＲＤ的清零具有最高优先级功能。使用其它输入引脚功能时，RＤ必须置１。

  40. 54/74HC4538 的功能 ２、单稳态触发功能 如序号２、３所列，当TR－＝１时，TR+加上升沿触发信号，Ｑ端能输出一个正脉冲信号，Ｑ为负脉冲；或者当TR+＝０时，TR－加下降沿触发信号，Ｑ也能输出一个正脉冲信号，Ｑ为负脉冲，其波形如图。

  41. 输出脉宽tw即为内部电路处于暂稳定状态时间，近似可用tw≈0.7RC计算。输出脉宽tw即为内部电路处于暂稳定状态时间，近似可用tw≈0.7RC计算。 R、C计算机为外接阻容元件值，一般R取值范围为５千欧到１兆欧，如果R ＞１兆欧，电路对外部噪声信号很敏感． 54/74HC4538单稳态触发器的工作波形 此外，电路还具有重触发功能，即当电路被触发进入暂稳态期间，可再次加输入触发信号，这时输出脉宽tw’为第一次和第二次触发信号的间隔时间t1加上以第二次触发信号为起点的输出脉宽tw 如左图． t’w = tI + tw 重触发器输出脉冲

  42. 54/74HC4538 的功能 3、稳定状态 如序号４、５所列，在TR＋＝１或TR－＝０时，均不能触发翻转，为稳定状态或禁止触发状态，Ｑ维持０。 4000系列14528与54/74HC4538芯片引脚功能完全相同，但54/74HC4538在带负载能力和速度方面优于14528。

  43. 二、集成单稳态触发器的应用 集成单稳态触发器除用作信号脉宽转换和调节之节，还可较方便地用于延时、方波信号发生器等电路。 １.脉冲信号的延时电路 两个集成单稳态触发器级联后，可组成信号的延时电路。第一级单稳态触发器在输入信号u1的下降沿触发下，产生脉宽为tw2的信号uo1输出，再利用uo1的下降沿作为第二级单稳态触发器的触发信号，再产生脉宽为tw2的信号uo输出。这样输出uo的信号比输入uI的信号延迟了tw1。

  44. 电路的输出uo与前级输入端１TR- 相连，并去除该端外加信号，同时在 1 TR＋端接地改成通过电阻Ｒ接地，另外再将电源VＤＤ串接按钮开关Ｓ与1 TR＋连接，如图虚线所示，即组成多谐振荡器电路。当按一下按钮Ｓ，即在1TR＋施加一个正脉冲作为启动信号后，电路就进入了振荡电路状态，产生波形如图示。其振荡频率为 f = 1/T = 1/（tw1+tw2） ２、多谐振荡器电路 脉冲延时电路电路图 多谐振荡器的工作波形

  45. 6.3集成施密特触发器 一、CMOS集成触发器40106的传输特性 不同电源 电压 下的传输特性。 40106六施密特触发 器的逻辑符号图 由内部电路参数的离散性，正向阈值电压UT+、负向阈值电压UT-、回差 电压ΔＵＨ均有一个变化范围值。因此，某一块集成电路要通过实测来确定ＵＴ＋和ＵＴ－。

  46. 二、40106施密特触发器电路的工作原理 反相器 TP1、TP2和TN3、TN4四个管子组成反相器，其栅极相连作为输入端。由于Tp5和TN6管的存在，使反相器输出电平uo1翻转所需的输入阈值电压不是1/2ＶＤＤ，这是因为Tp2和Tp3管的源极Ｓ2和S3的电位将受Tp5和TN6管的影响。 40106施密特触发器内部电路图 设P沟道Tp管辖 的开启电压为UGS（th）p(负值)，N沟道TN管的开启电压为UGS（th）N 当 uI =0时，则UGS1、UGS2（-VDD）＜UGS(TH)P,故TP1、TP2管导通；UGS3、UGS4（0V）<UGS（th）N,故TN3、TN4管截止，UO1≈VDD

  47. 三、集成施密特触发器应用 １.光电转换形电路 在检测电机转速时，可采用图 (a)所示光电转换整形电路。将小孔的转盘安装于电机转轴上，孔的位置对准红外发光管和红外光接收管。当电机转动时，转盘孔经过光电管之间，在接收管T的集电极产生图(b)中P1所波形,经施密特触发器整形后,转换成脉冲方波P2,对P2脉冲在一定时间内进行计数, 即可实行测速。

  48. 2.用于消除干扰和噪声的脉冲整形电路 在数字电路中，正常脉冲信号常受到 电网上其它负载频繁启动而产生干扰 信号的影响，如左图所示u1波形。若 将该信号作用于施密特触发器的输 入端，经整形后，即可获得无干扰的 脉冲信号输出，只要施密特触发器的 回差电压ΔUH大于干扰信号的幅度即可。 3.多谐振荡器电路 利用施密特触发器可以很方便 地组成多谐振荡器，电路如右图 (a），图（b）所示为电容上 电压UC和输出UO波形。

  49. 4.单稳态触发器 用40106施密特触发器可组成上升沿或下降沿触发的单稳态触发器电路。 （1）上升沿触发电路 上升沿触发的单稳态触发器的电路图 各点波形如图 （2）下降沿触发的电路 下降沿触发的单稳态触发器的电路图 各点波形如图

  50. 6.4其它多谐振荡器电路 6.4.1 用CMOS反相器组成的多谐振荡器 6.4.2 石英晶体多谐振荡器

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