0 引言
555時基電路是一種雙極型的時基集成電路,工作電源為4.5v~18v,輸出電平可與TTL、CMOS和HLT邏輯電路兼容,輸出電流為200mA,工作可靠,使用簡便而且成本低,可直接推動揚(yáng)聲器、電感等低阻抗負(fù)載,還可以在儀器儀表、自動化裝置及各種電器中作定時及時間延遲等控制,可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器、脈沖發(fā)生器、防盜報警器、電壓監(jiān)視器等電路,應(yīng)用及其廣泛。
1 555時基電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
國產(chǎn)雙極型定時器CB555的電路結(jié)構(gòu)如圖l所示。它由分壓器、電壓比較器C1和C2、SR鎖存器、緩沖輸出器和集電極開路的放電三極管TD組成。
1.1 電壓比較器
電壓比較器C1和C2是兩個相同的線性電路,每個電壓比較器有兩個信號輸入端和一個信號輸出端。C1的同向輸入端接基準(zhǔn)比較電壓VR1,反向輸入端(也稱閾值端TH)外接輸入觸發(fā)信號電壓,C2的反向輸入端接基準(zhǔn)比較電壓VR2,同向輸入端(也稱觸發(fā)端TR')外接輸入觸發(fā)信號電壓。
1.2 分壓器
分壓器由三個等值電阻串聯(lián)構(gòu)成,將電源電壓Vcc分壓后分別為兩個電壓比較器提供基準(zhǔn)比較電壓。在控制電壓輸入端Vco懸空時,C1、C2的基準(zhǔn)比較電壓分別為通常應(yīng)將Vco端接一個高頻干擾旁路電容。如果Vco外接固定電壓,則
1.3 SR鎖存器
SR鎖存器是由兩個TTL與非門構(gòu)成,它的邏輯狀態(tài)由兩個電壓比較器的輸出電位控制,并有一個外引出的直接復(fù)位控制端R'D。只要在R'D端加上低電平,輸出端vo便立即被置成低電平,不受其它輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時必須使R'D處于高電平。SR鎖存器有置0(復(fù)位)、置1(置位)和保持三種邏輯功能。電壓比較器C1的輸出信號作為SR鎖存器的復(fù)位控制信號,電壓比較器C2的輸出信號作為SR鎖存器的置位控制信號。
1.4 集電極開路的放電三極管
放電三極管實際上是一個共發(fā)射極接法的雙極型晶體管開關(guān)電路,其工作狀態(tài)由SR鎖存器的Q'端控制,集電極引出片外,外接RC充放電電路。通常,把引出片外的集電極稱為放電端(DISC)。
1.5 輸出緩沖器
輸出緩沖器由反相器構(gòu)成。其作用是提高時基集成電路的負(fù)載能力,并隔離負(fù)載與時基集成電路之間的影響。輸出緩沖器的輸入信號是SR鎖存器Q'的輸出信號。
2 555時基電路的基本工作模式
555時基電路的應(yīng)用十分廣泛,用它可以輕易組成各種性能穩(wěn)定實用電路,但無論電路如何變化,若將這些實用電路按其工作原理歸納分類,其基本工作模式不外乎單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)、無穩(wěn)態(tài)及定時這四種模式。
2.1 單穩(wěn)態(tài)工作模式
在實際應(yīng)用中,并不總是需要連續(xù)重復(fù)波,有時只需要電路在一定長度時間內(nèi)工作,這種電路只需要工作在單穩(wěn)態(tài)模式。單穩(wěn)態(tài)模式是指電路只有一個穩(wěn)定狀態(tài),也稱單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。在穩(wěn)定狀態(tài)時,555時基電路處于復(fù)位態(tài),即輸出低電平。當(dāng)電路受到低電平觸發(fā)時,555電路翻轉(zhuǎn)置位進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài),在暫穩(wěn)態(tài)時間內(nèi),輸出高電平,經(jīng)過一段延遲后,電路可自動返回穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)工作模式根據(jù)工作原理可分為脈沖啟動的單穩(wěn)和單穩(wěn)型壓控振蕩器。
2.1.1 脈沖啟動的單穩(wěn)
脈沖啟動的單穩(wěn)是以555時基電路的2端作為觸發(fā)信號的輸入端,并將由TD和R組成的反相器輸出電壓接至6端,同時在6端對地接入電容C,就構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,電路如圖2所示。其穩(wěn)態(tài)時Vo=O,暫穩(wěn)態(tài)Vo=l,輸出脈沖的寬度tW等于暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時間。
通常R的取值在幾百歐姆到幾兆歐姆之間,電容的取值范圍為幾百皮法到幾百微法,tW的范圍為幾微秒到幾分鐘。但隨著tW的寬度增加它的精度和穩(wěn)定度將下降。
脈沖啟動的單穩(wěn)電路除了起定時/延時作用以外,還可以用于消抖、分/倍頻、脈沖輸出等。
2.1.2 單穩(wěn)型壓控振蕩器(VCO)
由555時基電路組成的壓控振蕩器如圖3所示,圖(a)電路中,2端輸入被調(diào)制脈沖Vi,5端加調(diào)制信號Vco。圖(b)電路中,利用輸出的脈沖,經(jīng)低通濾波、直流放大后,閉環(huán)控制555的控制端(5端),使當(dāng)觸發(fā)頻率升高時,自動減小其暫穩(wěn)寬度,達(dá)到輸出波形的占空比保持不變。單穩(wěn)型壓控振蕩器主要用于脈寬調(diào)制、壓頻變化、A/D變換等。
2.2 雙穩(wěn)態(tài)工作模式
雙穩(wěn)態(tài)工作模式是指電路有兩個輸入端和兩個輸出端的電路,它的輸出端有兩個穩(wěn)定狀態(tài),即置位態(tài)和復(fù)位態(tài)。這種輸出狀態(tài)是由輸入狀態(tài)、輸出端原來的狀態(tài)和鎖存器自身的性能來決定的。雙穩(wěn)態(tài)工作模式根據(jù)工作原理可分為SR鎖存器和施密特觸發(fā)器。
2.2.1 SR鎖存器(雙限比較器)
對于555時基電路來說,按照它的邏輯功能完全可以等效于一個SR鎖存器,如圖4所示,只不過它是一個特殊的SR鎖存器。它有兩個輸入端TH(R)和TR'(S'),只有一個輸出端Vo(Q)而沒有Q'端。因為一個Q端就能解決和負(fù)載的連接以及說明鎖存器的狀態(tài),所以省略了Q'端。
這個特殊的SR鎖存器的特殊之處有二:一是它的兩個輸入端對觸發(fā)電平的極性要求不同,R端要求高電平,而S'端要求低電平;二是兩個輸入端的閾值電平不同,R端為即對R端來說,時,輸出高電平1,而時輸出低電平0;對S'端來說閾值電平為,即時,輸出低電平0,而VS≥1/3Vcc時輸出高電平1。SR鎖存器常用于比較器、電子開關(guān)、檢測電路、家電控制器等。
2.2.2 施密特觸發(fā)器(滯后比較器)
555時基電路中的兩個電壓比較器C1和C2,由于它們的參考電壓不同,C1為1/3Vcc,C2為1/3Vcc,因而SR鎖存器的置0信號和置1信號必然發(fā)生在輸入信號的不同電平。因此,輸出電壓由高電平變?yōu)榈碗娖胶陀傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖剿鶎?yīng)的輸入信號值也不同,利用這一特性,將它的兩個輸入端TH和TR相連作為總輸入端便可得到施密特觸器,如圖5所示。施密特觸發(fā)器經(jīng)常用于電子開關(guān)、監(jiān)控告警、脈沖整形等。
2.3 無穩(wěn)態(tài)工作模式
無穩(wěn)態(tài)工作模式是指電路沒有固定的穩(wěn)定狀態(tài),555時基電路處于置位與復(fù)位反復(fù)交替的狀態(tài),即輸出端交替出現(xiàn)高電平與低電平,輸送出波形為矩形波。由于矩形波的高次諧波十分豐富,所以無穩(wěn)態(tài)工作模式又稱為自激多諧振蕩器??煞譃橹苯臃答佇?、簡接反饋型多諧振蕩器和無穩(wěn)型壓控振蕩器。
2.3.1 直接反饋型多諧振蕩器
555時基電路可以組成施密特觸發(fā)器,利用施密特觸發(fā)器的回差特性,在電路的兩個輸入端與地之間接入充放電電容C并在輸出與輸入端之間接入反饋電阻Rf,就組成了一個直接反饋式多諧振蕩器,如圖6(a)所示。接通電源,電路在每次翻轉(zhuǎn)后的充放電過程就是它的暫穩(wěn)態(tài)時間,兩個暫穩(wěn)態(tài)時間分別為電容的充電時間T1和放電時間T2。t1=t2=0.69RC振蕩周期 T=T1+T2振蕩頻率f=1/T,電路占空比為50%。改變R、C的值則可改變充放電時間,即改變電路的振蕩頻率f。
電路中充、放電電阻R的取值一般應(yīng)不小于10K Ω,如取值過小,那么充、放電電流過大,會使輸出電壓下降過多,重負(fù)載時尤其如此。
2.3.2 間接反饋型多諧振蕩器
直接反饋式多諧振蕩器由于通過輸出端向電容C充電,輸出受負(fù)載因素的影響,會造成振蕩頻率的不穩(wěn)定,所以常采用間接反饋式多諧振蕩器,電路如圖6(b)所示。電路的工作過程不變,但它的工作性能得到很大改善。該電路充電時經(jīng)R1和R2兩只電阻,而放電時只經(jīng)R2一只電阻,兩個暫穩(wěn)態(tài)時間不相等,T1=0.69(R1+R2)C,T2=0.69R2C,振蕩周期T=T1+T2=0.69(R1+2R2)C,振蕩頻率f=1/T。
如果將電路進(jìn)行改進(jìn),接入二極管D1和D2,電路如圖6(c)所示,電容的充電電流和放電電流流經(jīng)不同的路徑,充電電流只流經(jīng)Rl,放電電流只流經(jīng)R2,因此電容C的充放電時間分別為T1=0.69R1C,T2=O.69R2C振蕩周期T=T1+T2=0.69(R1+R2)C,振蕩頻率f=l/T。若取R1=R2,占空比為50%。
多諧振蕩器在脈沖輸出、音響告警、家電控制、電子玩具、檢測儀器、電源變換、定時器等方面有著廣泛的應(yīng)用。
2.3.3 無穩(wěn)型壓控振蕩器(VCO)
如果間接反饋型多諧振蕩器的控制電壓輸入端不懸空,則構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)壓控振蕩器,電路如圖7所示。圖(a)電路電容C的充、放電時間分別為,振蕩周期T=T1+T2,振蕩頻率f=1/T。當(dāng)輸入控制電壓VI升高時頻率f將會降低。圖(b)電路是電壓一頻率轉(zhuǎn)換電路(VFC),由運(yùn)算放大器和555定時器構(gòu)成,改變負(fù)載電阻RL兩端的電壓降,就可改變555多諧振蕩器的頻率。若負(fù)載為RL,電流為IO,則其兩端電壓Vi=IORL該電壓經(jīng)差分放大器Al放大100倍,Al輸出加到555的控制端(5腳)對其進(jìn)行調(diào)制,這樣,555輸出(3腳)信號頻率就與輸入電壓Vi成比例。無穩(wěn)型壓控振蕩器主要用于脈寬調(diào)制、電壓頻率變換以及A/D變換等。
2.4 定時工作模式
定時工作模式實質(zhì)上是單穩(wěn)態(tài)工作模式的一種變形,其電路如圖8所示,由于這種電路在應(yīng)用電路中使用得較為廣泛,所以可以作為一種基本工作模式。
定時工作模式主要用于定時或延時電路中,其穩(wěn)態(tài)時VO=0,暫穩(wěn)態(tài)Vo=1,輸出脈沖的寬度tW等于暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時間,而暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時間取決于外接電阻R和電容C的大小。
圖(a)是開機(jī)時產(chǎn)生高電平的定時電路,經(jīng)延遲時間t后,時基電路輸出端將保持輸出低電平不變,如果要使3腳再次輸出高電平,只需按一下按鈕SB,電容C的存儲電荷即通過SB泄放,2腳端受低電平觸發(fā),555置位,3腳輸出高電平松開SB后定時即開始。此時電源VDD就通過定時電阻R向C充電,使C兩端的電壓(555的閾值端6腳電平)不斷升高,當(dāng)升至2/3VCC時,時基電路復(fù)位,定時結(jié)束,3腳恢復(fù)輸出低電平。
圖(b)是開機(jī)時產(chǎn)生低電平的定時電路,經(jīng)延遲時間t后,時基電路輸出端將保持輸出高電平不變,因為開機(jī)時,由于電容C兩端電壓不能躍變,所以555的TH端(6腳)為高電平,555復(fù)位,3腳輸出低電平。然后電源經(jīng)R向C充電,使C兩端電壓不斷升高,從而使555的觸發(fā)端TR(2腳)電平不斷下降,經(jīng)延遲時間t后,2腳電平降至1/3VCC,時基電路置位,3腳則保持輸出高電平不變。如要再次輸出一個延遲時間為t的低電平,只需按一下按鈕SB即可。
3 555時基電路的應(yīng)用
1972年美思西格奈蒂克公司(Signetics)首次推出NE555雙極性時基集成電路,原本旨在取代體積大、定時精度差的機(jī)械式定時器,但器件投放市場后,由于該集成電路成本低、使用方便、穩(wěn)定性好,因此受到各界電子、電器設(shè)計與制作人員的歡迎,其應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了的設(shè)計者的初衷,其用途幾乎涉及電子應(yīng)用的各個領(lǐng)域。自世界上第一塊NE555集成電路誕生至今30多年以來,其市場一直經(jīng)久不衰,直至今天世界各國集成電路生產(chǎn)廠商仍紛紛競相仿制。
3.1 NE556時基電路構(gòu)成電機(jī)控制電路
NE556定時器構(gòu)成的電機(jī)控制電路如圖9所示,電路中NE556(1)構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,NE556(2)構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。R3和C3構(gòu)成微分電路,VD1為限幅二極管,作用是吸收微分電路產(chǎn)生的正尖峰脈沖電壓;NE556(2)的輸出經(jīng)R5和VT2激勵達(dá)林頓晶體管VT1,使其通/斷工作,從而驅(qū)動電動機(jī)使其運(yùn)行。BP1用于調(diào)節(jié)激勵VT1的周期,BP2用于控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
555時基電路在控制電路與轉(zhuǎn)換電路方面的應(yīng)用還有:構(gòu)成水位自動控制電路、上下限溫度自動控制電路、電壓一頻率轉(zhuǎn)換電路、頻率一電壓轉(zhuǎn)換電路等。
3.2 555時基電路構(gòu)成相片曝光定時電路
555定時器構(gòu)成的相片曝光定時器如圖10所示,555時基電路接成定時工作模式,當(dāng)電源接通后,定時器進(jìn)入穩(wěn)態(tài),此時定時電容的電壓為VCT=VCC,對555這個等效的觸發(fā)器來講,兩個輸入端都是高電平,則輸出為低電平,VO=0,繼電器不吸合,常開觸電是打開的,相片曝光燈不亮。
當(dāng)按下按鈕開關(guān)SB后,定時電容CT立即放電到電壓為零,此時555電路等效觸發(fā)輸入端均為低電平,則輸出為高電平,VO=1,繼電器吸合,常開觸電是閉合,相片曝光燈點亮。按鈕開關(guān)按一下后立即放開,電源電壓就通過電阻RT向電容CT充電,暫穩(wěn)態(tài)開始。當(dāng)電容電壓上升到2/3VCC時,定時時間已到,555等效電路觸發(fā)器輸入均為高電平,于是,觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)為低電平,VO=0,繼電器釋放,暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束又恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。相片曝光時間為tW=1.1RTCT,延時時間可通過電位器RP調(diào)整和設(shè)置。
555時基電路在延遲與定時器的應(yīng)用電路中,還可構(gòu)成各種不同類型的開機(jī)延遲電路和各種不同種類的定時電路,如觸摸式實用電子定時器、大范圍長時間的可調(diào)定時器、用于智力競賽搶答游戲的小巧定時音響器、電話限時定時器、照明燈自動定時器等。
3.3 555時基電路構(gòu)成電源電路
555時基電路構(gòu)成的正負(fù)雙電源電路如圖ll所示,VCC為供電電池組,合上電源開關(guān)S后,即可輸出對等的正負(fù)雙電源。555時基電路和R1、C1接成占空比為50%的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,振蕩頻率為20KHz的方波。當(dāng)輸出端為高電平時,電容C4被充電,輸出端為低電平時,電容C3被充電。由于二極管VD1和VD2的存在,電容C3T和C4在電路中只充電不放電,充電最大值為電源電壓VCC。如果將B點接地,則在A、C點分別得到絕對值相等的正負(fù)雙電源VCC。
555時基電路除了構(gòu)成的正負(fù)雙電源電路以外,還可以構(gòu)成倍壓直流電壓升壓器、正負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器及其構(gòu)成各種充電器,如脈沖式快速充電器、鎳鎘電池充電器等。
4 小結(jié)
555時基電路除了應(yīng)用于以上的自控開關(guān)電路、定時器電路、電源電路以外,在門鈴電路、報警器、照明電路、儀器儀表電路、家用電器、充電器電路、玩具與休閑電路及其它電子電器等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。本文所給出的應(yīng)用實例電路結(jié)構(gòu)合理,設(shè)計新穎,實用性強(qiáng),具有一定的參考價值。