555集成電路在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

張瑋 陳永志

摘 要：在簡(jiǎn)介555集成電路構(gòu)成的多諧振蕩器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)電路等基本電路構(gòu)成的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了可用在物理實(shí)驗(yàn)及課外趣味實(shí)驗(yàn)中的幾個(gè)以555集成電路為核心的實(shí)用電路，為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，提供一些借鑒和幫助。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué);課外趣味實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)室建設(shè);555集成電路;電子制作

555集成電路是美國(guó)Signetics公司于1972年研制成功的用于取代機(jī)械式定時(shí)器的中規(guī)模集成電路，因其輸入端設(shè)計(jì)有三個(gè)5kΩ的電阻而得名。隨著在實(shí)踐中的應(yīng)用，555集成電路取得了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)者原設(shè)想的應(yīng)用成果，有著更加廣泛的應(yīng)用范圍。它成本低，性能可靠，只需外接少量的阻容元件，無(wú)需編程，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等基本電路，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、家用電器、自動(dòng)控制、儀器儀表、兒童玩具以及安全防護(hù)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，[1-3]至今仍深受電子專業(yè)設(shè)計(jì)人員和廣大電子愛好者的青睞。

為配合物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，本文基于555集成電路的幾類基本電路設(shè)計(jì)了可用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課外趣味實(shí)驗(yàn)拓展的應(yīng)用電路。這些電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了、性能穩(wěn)定、制作方便，非常適合學(xué)生的課外制作，有利于學(xué)生鞏固和拓展物理知識(shí)。所設(shè)計(jì)電路均經(jīng)過(guò)筆者實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)效果良好。

1 基于555構(gòu)成的多諧振蕩器電路

音頻信號(hào)源（超聲波發(fā)生器）：

在物理實(shí)驗(yàn)室，信號(hào)發(fā)生器是必不可少的設(shè)備之一。555電路可以組成多諧振蕩器產(chǎn)生音頻電信號(hào)，如圖1所示。

該電路輸出的波形為矩形波，通過(guò)改變RA、RB的阻值，可以對(duì)輸出矩形波的占空比進(jìn)行調(diào)整，形成近似方波。

圖1所示電路是由CMOS型555芯片HA17555構(gòu)成的音頻信號(hào)發(fā)生器，為典型的555間接反饋型多諧振蕩器電路，7555輸出端3腳輸出的波形為矩形波或近似方波，其輸出波形的頻率f、占空比D可由下面兩式確定。

（2）式中td為矩形脈沖寬度，T為周期。

按圖1可取適當(dāng)?shù)脑?shù)，比如取RA=20kΩ，RB=120kΩ，CT=0.1μF（104），由（1）式可計(jì)算得輸出的音頻信號(hào)的頻率約為55.5Hz（實(shí)測(cè)為53Hz），該信號(hào)經(jīng)三極管8050放大后，可推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出可聞聲波。按（1）式改變電路中元件參數(shù)RA、RB、CT的值，即可產(chǎn)生頻率大于20kHz的電信號(hào)，可推動(dòng)晶體揚(yáng)聲器發(fā)出超聲波（可聞聲波頻率范圍為20-20kHz）。

2 基于555構(gòu)成的R-S雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路

2.1R-S雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

555電路構(gòu)成的R-S觸發(fā)器，其兩個(gè)觸發(fā)端中TR端（②腳閾值端，相當(dāng)于R-S觸發(fā)器的S-端）需要低電平觸發(fā)，而另一觸發(fā)端TH（⑥腳復(fù)位端，相當(dāng)于R端）需要高電平觸發(fā)。觸發(fā)高電平要求大于2VDD/3，觸發(fā)低電平要求低于VDD/3。555構(gòu)成的R-S觸發(fā)器的基本電路如圖2所示。

其真值表如表1所示。

2.2 無(wú)線遙控小夜燈

圖3為無(wú)線遙控小夜燈的電路圖。

遙控模塊采用常見的2262/2272四路無(wú)線遙控發(fā)射/接收模塊（接收板非鎖），如圖4所示。本設(shè)計(jì)電路使用其中兩路遙控作為小夜燈的“開”、“關(guān)”信號(hào)。

按下遙控模塊發(fā)射器B鍵（開燈），在圖4電路中接收板的B端感應(yīng)出一高電平（非鎖），經(jīng)反相三極管VT1反相后，變?yōu)榈碗娖郊釉?555的2腳（TR端），即TR=0，由表1第3行知，7555輸出端3腳輸出高電平Q=1，驅(qū)動(dòng)三極管VT2導(dǎo)通，小夜燈點(diǎn)亮。2腳低電平撤除后，TR=1，TH=0，由表1第2行知7555的3腳保持原態(tài)Q=1不變，小夜燈仍舊點(diǎn)亮。

按下發(fā)射器的C鍵（熄燈），接收板的C端感應(yīng)出一高電平，加至7555的6腳（TH端），此時(shí)TH=1，TR=1，由表1第一行知，7555輸出端3腳Q=0，驅(qū)動(dòng)三極管VT2截止，小夜燈熄滅。隨后6腳撤除高電平后，TH=0，TR=1，3腳保持原態(tài)不變，小夜燈處于熄滅狀態(tài)。

3 基于555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路

3.1 施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器與前面所述的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不同，它是一種具有滯回特性的比較器，有兩個(gè)不同的觸發(fā)門限電壓UTH+和UTH-，用以提高電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力。施密特觸發(fā)器應(yīng)用廣泛，它可用作集成數(shù)字電路系統(tǒng)的接口，將緩慢變化的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合數(shù)字系統(tǒng)要求的脈沖波形，將不規(guī)則的輸入信號(hào)整形成為矩形脈沖，如圖5所示。

555集成電路可以很方便的連接成施密特觸發(fā)器，[4]如圖6所示，其傳輸特性曲線如圖7所示，可見其UTH+=23VCC，UTH-=13VCC，回差電壓ΔUTH=13VCC。

3.2 光控語(yǔ)音迎賓電路（監(jiān)控區(qū)域進(jìn)入警告電路）

光控語(yǔ)音迎賓電路如圖8所示，由光信號(hào)采集電路、555施密特觸發(fā)器電路、錄放音模塊電路組成。光信號(hào)采集電路采用3DU型（如3DU33）光敏三極管，當(dāng)賓客進(jìn)入門口時(shí)，將照射在VT上的光線遮斷，則光敏管呈高阻，M點(diǎn)電位突然降低（小于13VCC），555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器3腳輸出一個(gè)上升沿，觸發(fā)ISD1820錄放音模塊電路的邊沿觸發(fā)放音端子2，發(fā)出事先錄好的“歡迎光臨”語(yǔ)音。

如果事先錄制的語(yǔ)音是“您已進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域，請(qǐng)注意自己行為規(guī)范”，則該電路即作為“監(jiān)控區(qū)域進(jìn)入警告電路”使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程[M].北京：高等教育出版社，2006：397-423（第3版）.

[2]張慶雙.555應(yīng)用電路精選[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3]陳永甫.多功能集成電路555經(jīng)典應(yīng)用實(shí)例（第二集）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4]任駿原.基于555定時(shí)器的同相輸出施密特觸發(fā)器.電子設(shè)計(jì)工程，2015（08）：53-55.