基于Multisim的555定時(shí)器仿真設(shè)計(jì)

夏志祥

（南京航空航天大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 江蘇 南京 210016）

1 引言

數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)是一門(mén)具有很強(qiáng)實(shí)用性的課程，其實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相當(dāng)重要。555定時(shí)器是數(shù)字邏輯器件中比較有代表性的，應(yīng)用比較廣泛，它可以用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、整形和測(cè)試。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)成為電子工程設(shè)計(jì)中的重要輔助工具。利用Multisim仿真軟件進(jìn)行數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)，不僅可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、元器件的短缺以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的老舊和實(shí)驗(yàn)元器件的規(guī)格不全等問(wèn)題，而且可以利用該仿真軟件提供的多種分析工具、多種分析方法和眾多的虛擬儀器，更深入、更精確地掌握基礎(chǔ)理論內(nèi)容，能夠很好地掌握相關(guān)的邏輯符號(hào)和邏輯器件，并能夠很好地掌握常用的顯示儀器和數(shù)字測(cè)量?jī)x器的用法，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和開(kāi)拓創(chuàng)新能力。

2 Multisim仿真軟件在電子電路實(shí)驗(yàn)中的突出特點(diǎn)

Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真軟件，非常適用于模擬、數(shù)字等電路的仿真設(shè)計(jì)工作。從推出至今，經(jīng)歷了眾多版本。無(wú)論是哪一個(gè)版本，都包含了豐富的元器件、電路原理圖的輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式等，具有極其豐富的仿真分析能力。作為Windows平臺(tái)下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)仿真軟件，Multisim 是一個(gè)完備的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境[2]。Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一問(wèn)題。Multisim仿真軟件具有以下特點(diǎn)：

（1）圖形界面直觀(guān)化。Multisim仿真軟件的操作界面就像實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的電子實(shí)驗(yàn)工作平臺(tái)，繪制仿真電路所需的各種各樣的元器件和仿真所需的各種各樣的儀器均可以直接拖放到屏幕上，直接用鼠標(biāo)就可以用導(dǎo)線(xiàn)將它們連接起來(lái)，軟件儀器的虛擬面板和操作方式都與真實(shí)的儀器相似，測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)、相關(guān)波形和相關(guān)特性曲線(xiàn)如同在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中得到的一樣。

（2）元器件庫(kù)極其豐富。Multisim仿真軟件元器件庫(kù)提供超過(guò)17000多種元件，同時(shí)可以很方便地對(duì)元件的參數(shù)進(jìn)行編輯修改，可以利用模型生成器創(chuàng)建自己的元器件。

（3）仿真能力極其強(qiáng)大。Multisim仿真軟件以SPICE3F5和Xspice的內(nèi)核作為仿真的引擎，通過(guò)Electronic workbench帶有的增強(qiáng)設(shè)計(jì)功能將數(shù)字和混合模式的仿真性能進(jìn)行優(yōu)化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向?qū)У裙δ堋?/p>

（4）測(cè)量?jī)x器極其豐富。Multisim仿真軟件提供了超過(guò)20種的虛擬儀器進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)、波形和曲線(xiàn)的測(cè)量。

（5）分析手段眾多。Multisim仿真軟件具有眾多的分析手段，比如直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析等。

3 555定時(shí)器簡(jiǎn)介

555定時(shí)器的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。它一共有8個(gè)引腳，1號(hào)引腳是接地端，2號(hào)引腳是觸發(fā)端，3號(hào)引腳是輸出端，4號(hào)引腳是復(fù)位端，5號(hào)引腳是電位控制端，6號(hào)引腳是閾值端，7號(hào)引腳是放電端，8號(hào)引腳是電源端。從組成部分來(lái)看，由3個(gè)5KΩ的電阻構(gòu)成分壓器；由C1、C2構(gòu)成的電壓比較器；由兩個(gè)兩輸入端的與非門(mén)交叉耦合構(gòu)成的基本SR鎖存器；還有1個(gè)輸出緩沖反相器和1個(gè)集電極開(kāi)路輸出三極管[1]。

圖1 555定時(shí)器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖

555定時(shí)器的工作原理如表1所示。

表1 555定時(shí)器的內(nèi)部工作原理（VCC=5V）

4 Multisim中555定時(shí)器仿真實(shí)驗(yàn)

例：555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器

本例用Multisim仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器。仿真實(shí)驗(yàn)電路圖如圖2所示。選用了虛擬的555定時(shí)器，元器件的參數(shù)分別是：R1=10KΩ，R2=30KΩ，C1=100nF，C2=10nF，虛擬示波器的通道A、B分別觀(guān)看輸出波形和電容C1兩端電壓波形。多諧振蕩器的工作原理是：剛開(kāi)始接通5V直流電源，該電源通過(guò)電阻R1、R2給電容C1充電，當(dāng)電容C1兩端的電壓上升至（約3.34 V）時(shí)，輸出端（3號(hào)引腳）的狀態(tài)由高電平轉(zhuǎn)至低電平，同時(shí)放電端（7號(hào)引腳）的三極管導(dǎo)通，電容C1通過(guò)電阻R2進(jìn)行放電，當(dāng)電容C1兩端的電壓下降至（約1.67 V）時(shí)，輸出端（3號(hào)引腳）的狀態(tài)由低電平轉(zhuǎn)至高電平，同時(shí)放電端（7號(hào)引腳）的三極管截止，如此循環(huán)，電容C1的充、放電狀態(tài)一直保持，輸出端的狀態(tài)在高、低電平之間轉(zhuǎn)換，形成了多諧振蕩器。輸出端高電平維持的時(shí)間為：tpH=0.7(R1+R2)C1，輸出端低電平維持的時(shí)間為：tpL=0.7R2C1，多諧振蕩器輸出方波的周期：T=0.7(R1+2R2)C1。

圖2 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器

仿真實(shí)驗(yàn)中用虛擬示波器看到的波形如圖3、圖4所示。圖3是輸出電平從高到低轉(zhuǎn)換時(shí)刻點(diǎn)的波形，紅色波形是輸出方波，橙色是電容C1兩端電壓的波形，可以看出輸出電平從高到低轉(zhuǎn)換所對(duì)應(yīng)的電容C1兩端電壓約為3.327 V，接近于（3.34 V）；圖4是輸出電平從低到高轉(zhuǎn)換時(shí)刻點(diǎn)的波形，紅色波形是輸出方波，橙色是電容C1兩端電壓的波形，可以看出輸出電平從低到高轉(zhuǎn)換所對(duì)應(yīng)的電容C1兩端電壓約為1.671 V，接近于（1.67 V）；同時(shí)從圖3、圖4可以看出輸出低電平的時(shí)間為2.123ms，這與理論值

圖3 輸出電平從高到低的轉(zhuǎn)換時(shí)刻點(diǎn)

圖4 輸出電平從低到高的轉(zhuǎn)換時(shí)刻點(diǎn)

吻合，而輸出高電平的時(shí)間為2.811ms，這與理論值

吻合。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用Multisim來(lái)開(kāi)發(fā)數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)取得了非常好的效果，無(wú)論是波形，還是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都與理論值非常接近。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)與硬件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合能夠很好地啟發(fā)和拓寬了思路，對(duì)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展起到了積極地促進(jìn)作用。不足之處，本例中沒(méi)有就輸出方波的諧波分量進(jìn)行分析，下次可以利用Multisim自帶的傅里葉分析功能對(duì)輸出波形的諧波分量進(jìn)行分析。