555時基電路應用分析

余陽華

[摘? ? ? ? ? ?要]? “電子電路裝調(diào)與應用技能大賽（中職組）”每年都是職業(yè)學校的重頭戲，從學校、市、省到教育部都非常重視。在針對性訓練的過程中，難免會遇到各種各樣的問題，其中555時基電路（以下簡稱“555”）的應用是作為競賽的重要知識點，學生由于基礎薄弱，對555的應用的分析掌握不夠，所以往往造成競賽過程中失分，主要針對競賽過程中出現(xiàn)555時基電路的知識點進行分析，希望能夠給廣大同行和學生一點啟發(fā)和參考。

[關? ? 鍵? ?詞]? 555時基電路;多諧振蕩;單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器;施密特觸發(fā)器

[中圖分類號]? TN710? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）11-0234-03

在比賽中經(jīng)常會用到555， 555是一種將模擬和數(shù)字功能巧妙地結(jié)合在一起的集成電路，輸入是模擬信號、輸出是數(shù)字信號。電路只要外接少量的阻容元件，就可方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等電路，在比賽的過程中經(jīng)常會用到。下面筆者就競賽的過程中555的常見應用進行探討。

一、555的結(jié)構(gòu)及功能介紹

（一）外部結(jié)構(gòu)

1.實物圖

通常555路采用雙列直插式結(jié)構(gòu)，實物如圖1所示。

2.引腳功能

555的引腳排列如圖2所示。1腳為接地端;2腳為觸發(fā)輸入端;3腳為輸出端;4腳為復位端，低電平有效;5腳為電壓控制端，設置內(nèi)部電壓比較器的參考電壓，不設參考電壓時，5端一般都通過一個0.01μF的瓷片電容接地，以旁路高頻干擾;6腳為閾值輸入端，由此輸入觸發(fā)脈沖;7腳為放電端，提供外接電容的放電通路，并作為集電極開路輸出;8腳為電源端。

（二）功能介紹

555的功能如表1所示。當?= 0時，3腳uo的輸出為低電平“0”，正常使用時應接高電平;當2腳輸入電壓小于Vcc/3、6腳輸入電壓UTH 小于2Vcc/3時，3腳uo的輸出為高電平“1”，7腳放電端截止;當2腳輸入電壓大于Vcc/3、6腳輸入電壓UTH小于2Vcc/3時，3腳uo的輸出不變，7腳放電端的狀態(tài)也不變;當2腳輸入電壓U大于Vcc/3、6腳輸入電壓UTH也大于2Vcc/3時，3腳uo的輸出為低電平“0”，7腳放電端導通。

二、555時基電路的典型應用

（一）555時基電路組成的多諧振蕩器

圖4是典型的555多諧振蕩器，該電路由555和外接的元件R1、R2、C組成的多諧振蕩器，555的2腳與6腳直接相連，電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存兩個暫穩(wěn)態(tài)，不需要外加觸發(fā)信號。

電路的工作原理為：接通電源時，電容C不能突變，所以電容C上電壓為0，則2腳和6腳的電壓均為0，根據(jù)上表可以知道，此時555輸出高電平;隨后，電源通過R1、R2向電容C充電，電容C兩端電壓不斷增大，當C兩端電壓大于2Vcc/3時，則2腳和6腳的電壓都大于2Vcc/3，此時555輸出變?yōu)榈碗娖?，同時7腳放電端導通;接著電容C通過R2，到7腳放電端放電，隨著放電，電容C兩端電壓逐漸下降，當下降到Vcc/3時，555輸出變?yōu)楦唠娖剑瑫r7腳放電端截止，電源再次對電容C充電，如此反復，使電路產(chǎn)生振蕩。圖4（b）所示為產(chǎn)生輸出波形的過程，其中Uc為電容C兩端的電壓，Uo為555 3腳輸出的電壓。

555組成的多諧振蕩器對電路中元件參數(shù)的要求是：R1與R2均應大于或等于1kΩ，但R1+R2應小于或等于3.3MΩ。輸出矩形脈沖的參數(shù)為：tW1≈0.7（R1+R2）C、tW2≈0.7R2C、T=tW1+tW2≈0.7（R1+2R2）C;從參數(shù)我們可以知道，通過改變電路中的R1、R2和C的值可以改變脈沖高電平的時間;而改變R2和C的值就可以改變低電平的時間。因此在應用上，我們可以根據(jù)不同電路的參數(shù)計算出輸出信號的頻率，也可以根據(jù)輸出信號的頻率和占空比的要求，選取相關的元件參數(shù)。

由555組成的多諧振蕩器電路在競賽中是最常見的，多數(shù)用于產(chǎn)生波形，只要改變幾個元件的參數(shù)，就可以得到想要的頻率信號。

（二）555時基電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

555與外接定時元件R、C組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如圖5所示。圖中555的6腳與7腳相連;C1、R1、VD組成觸發(fā)電路，VD為箝位二極管。

圖5電路的工作過程為：接通電源時，電源對C充電，充電到2Vcc/3時（此時由于2腳沒有外接信號，通過電阻R1接到VCC，所以U>Vcc/3），輸出uo為低電平，放電端導通，接著C放電，此時6腳的電壓小于2Vcc/3，555觸發(fā)輸入端2腳處于電源電平（則2腳的電壓大于Vcc/3），電路進入穩(wěn)態(tài)，輸出端uo保持低電平;當有一個外部負脈沖觸發(fā)信號經(jīng)C1加到2端，并使2端電位瞬時低于Vcc/3時（此時6腳電位低于2Vcc/3），555輸出uo為高電平，放電端截止，C開始充電;當充電到2Vcc/3時，555輸出uo從高電平返回低電平，放電端重新導通，C很快放電結(jié)束，恢復穩(wěn)態(tài)，為下個觸發(fā)脈沖的來到作好準備，電路也完成了一個暫穩(wěn)態(tài)過程。電路的輸出波形如圖5（b）所示。

該電路的暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間tw≈1.1RC。通過改變R、C的大小，可使時間在幾個微秒到幾十分鐘之間變化。當這種單穩(wěn)態(tài)電路作為計時器時，可直接驅(qū)動小型繼電器，并可以使用復位端（4腳）接地的方法來中止暫態(tài)，重新計時。

（三）555時基電路組成施密特觸發(fā)器

將555的2、6腳連接在一起，作為輸入端就組成了施密特觸發(fā)器，如圖6所示。圖中二極管VD限制輸入信號的負半周進入555時基電路的輸入端。

電路的工作過程：設被整形變換的電壓為正弦波us，其正半波通過二極管VD同時加到555的2腳和6腳，得ui為半波整流波形，如圖6（b）所示。當ui上升到2Vcc/3時，uo從高電平翻轉(zhuǎn)為低電平;當下降到Vcc/3時，又從低電平翻轉(zhuǎn)為高電平。如此反復。由555組成的施密特觸發(fā)器在整形電路、紅外線遙控器、紅外線傳感器、液晶顯示器的驅(qū)動板中應用較多。

由施密特觸發(fā)器的特性，此電路主要應用在信號波形的整形上。

三、555在競賽及實際電路中的常見應用分析

（一）根據(jù)輸出信號頻率和元件大小，設計連接電路

根據(jù)給出的元件，電阻：41k、51k、22k、27k; 電解電容：10μF、1μF，設計產(chǎn)生1S的輸出信號，在圖7（a）中補充完成電路連接。

根據(jù)要求，我們知道該電路為555組成的多諧振蕩電路，根據(jù)典型電路，我們可以通過估算的方法得出相關的電阻。下面我們根據(jù)已知條件來估算組成電路的相關元器件。

由多諧振蕩器可以知道：T≈0.7（R1+2R2）C=1S? ? ? ? ?①

給出的幾個電阻最大為幾十K，所以我們選擇電容C為10μF（因為選擇1μF時，0.7（R1+2R2）的結(jié)果要兆歐姆以上，而給出的電阻最大為51KΩ，所以選擇1μF就不合適）;

將C的大小代入①式得（其中在估算的過程中C2由于容量太小，忽略不計）：

0.7（R1+2R2）10μF=1S

0.7（R1+2R2）10×10-6F=1S

則R1+2R2≈143KΩ

根據(jù)給出的電阻我們通過組合，最終選取R1為41KΩ，R2為51KΩ，R1+2R2=143KΩ，基本滿足要求。根據(jù)得出的電阻和電容，我們補充得到的電路如圖7（b）所示。

（二）根據(jù)輸出頻率和占空比和給出的元件設計完成相應的電路

已知可選擇電阻為3.9K、1K，要求3腳輸出的信號頻率為2.4kHz，占空比為83%。在圖8（a）中補充實現(xiàn)要求的電路。

根據(jù)給出的條件，設計的電路也是555組成的多諧振蕩電路，由已知條件，要確定R1、R2和C的大小。

根據(jù)②式和給出的電阻3.9K和1K，可以知道R1為3.9K，R2為1K才能滿足②，又要求輸出頻率為2.4kHz，則：T=0.7（R1+2R2）C=2.4kHz? ? ? ?③

將R1和R2 的阻值代入③式計算得：C≈0.1μF。最終補充完整的電路圖如圖8（b）所示。

（三）555時基電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在電路的應用分析

競賽過程中，555經(jīng)常用來設計成具有延時、定時功能的電路。圖9電路為觸摸延時燈控制電路，該電路為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，圖中K為繼電器，該電路具有簡單、穩(wěn)定的特點。

圖9電路原理分析如下，其中555部分的原理分析見本文典型電路中單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，這里不再贅述，通電后電路很快進入單穩(wěn)態(tài)后（3腳輸出低電平），當人觸摸到金屬觸摸片的時候，人體感應的雜波信號電壓由C1加到555的2腳，由于人體電壓較低（低于VCC/3），且電容C1不能突變，致使2腳電壓降低，因此3腳輸出高電平，繼電器線圈得電，開關吸合，照明電路接通，L1點亮。當人不再觸摸金屬片后，2腳電壓恢復高電平（接近電源電平），以此同時，電源通過R向C充電，當充電到2VCC/3的時候，3腳電平從高電平返回低電平，放電端重新導通，C很快放電結(jié)束，恢復穩(wěn)態(tài)（低電平），為下一次觸發(fā)做好準備，繼電器線圈由于失電，開關斷開，照明電路不構(gòu)成回路，L1熄滅。此電路燈點亮的時間由R、C兩個元件決定，通過改變這兩個元件參數(shù)的大小，可以設計成合適的延時時間。按圖八的參數(shù)，燈點亮的時間為：T=1.1RC=1.1×100K×47u=1.1×105×47×10-6S=5.17S。

縱觀555時基電路的應用，555時基電路基本都是多諧振蕩、單穩(wěn)態(tài)還是施密特電路這三種電路的應用，而這些應用的分析其實都是要依據(jù)555時基電路的功能來進行，所以我們在分析555電路的時候，不管是哪一種典型的應用，我們都應牢牢抓住555功能進行分析。

參考文獻：

[1]卜錫濱.電子技術(shù)基礎與技能[M].北京：人民郵電出版社，2010-08.

[2]張志恒.電子技術(shù)基礎[M].北京：中國電力出版社，2013-08.

編輯 馮永霞