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单稳态多谐振荡器模式下的555定时器

IC 555 是最受欢迎且应用最广泛的集成电路之一。它是一款多功能且极其可靠的集成电路，被广泛用于各种应用中，如定时器、波形发生器（脉冲）和振荡器。

IC 555，通常称为 555定时器，由 Signetics公司的 Hans Camenzind 于 1971年研发。

它以两种型号发布：NE 555 和 SE 555。其中 NE 555 属于商业级产品，工作温度范围为 0°C 到 70°C；而 SE 555 属于军用级产品，设计符合军工标准，工作温度范围为 -55°C 到 125°C。它是一种单片集成电路，也是最早商业化的定时器IC之一。

1. 555定时器的特性​

555定时器的一些重要特性如下：

  • 555定时器可在 5V 到 18V 的宽电源电压范围内工作。
  • 提供 三种封装形式：8引脚金属封装、8引脚DIP封装和14引脚DIP封装。
  • 定时时间范围可从 微秒到小时。
  • 可在 无稳态模式（Astable） 和 单稳态模式（Monostable） 下工作。
  • 输出电流能力高。
  • 占空比可调。
  • 由于其高输出电流，具有 TTL兼容性。
  • 输出端可对负载提供 200mA 的 源电流或灌电流。
  • 温度稳定性高，约为 0.005% / °C。

2. 555定时器的工作模式​

555定时器一般有三种工作模式：无稳态模式（Astable）、单稳态模式（Monostable） 和 双稳态模式（Bistable）。

2.1 无稳态模式（Astable Mode）​

在此模式下，555定时器作为自由振荡器工作。输出信号在高电平与低电平之间不断切换，从而生成一串脉冲，因此它也称为脉冲发生器。

这是理想的方波发生器，常用于逆变器以及收音机的内部电路。如果选择热敏电阻作为定时电阻，555定时器还可以用作温度传感器。

2.2 单稳态模式（Monostable Mode）​

在单稳态模式下，555定时器在无外部触发时保持稳定状态，只有在施加外部触发信号时才会输出一个固定宽度的脉冲，因此它也被称为单脉冲发生器。

单稳态模式的典型应用是在系统中引入延时。其他应用包括：

  • 定时器
  • 缺脉冲检测
  • 无抖动开关
  • 触摸开关
  • 分频器
  • 电容测量
  • 脉宽调制（PWM）

2.3 双稳态模式（Bistable Mode）​

在双稳态模式下，555定时器表现为一个触发器，具有两个稳定状态，可用来存储1位数据。不过，555并不是实现触发器的理想选择。

3. 555定时器的引脚配置​

555定时器有三种封装：8引脚金属封装、8引脚DIP封装和14引脚DIP封装。 其中 14引脚DIP封装对应 IC 556，包含两个独立的555定时器。

最常用的是 8引脚DIP封装。下面是8引脚封装的引脚功能：

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所有引脚的名称、编号及其功能描述如下表所示。

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  • 引脚1（GND）：接地端，所有电压以此为参考点。
  • 引脚2（触发端 Trigger）：用于设置和复位触发器，当触发端电压低于 13VCC\frac{1}{3}V_{CC} 时，输出变高并开始定时。
  • 引脚3（输出端 Output）：提供输出波形，电压大约为 VCC−1.7VV_{CC} - 1.7V 。
  • 引脚4（复位端 Reset）：当此端出现低电平时，定时器被复位；不使用时应接高电平。
  • 引脚5（控制电压 Control Voltage）：用于调节阈值电压和触发电压，通常接一个 10μF 电容到地以消除噪声。
  • 引脚6（阈值端 Threshold）：当此端电压超过 23VCC\frac{2}{3}V_{CC} 时，触发器复位，输出变低。
  • 引脚7（放电端 Discharge）：连接到内部NPN三极管的集电极，用于放电定时电容。
  • 引脚8（VCC电源端）：电源电压范围为 5V 到 18V。

4. 555定时器内部电路​

555定时器的内部框图包含以下模块：

  • 两个比较器
  • 一个SR触发器
  • 两个三极管
  • 一个由三个 5kΩ 电阻组成的分压网络
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比较器1：比较阈值电压与 23VCC\frac{2}{3}V_{CC} 的参考电压。 比较器2：比较触发电压与 13VCC\frac{1}{3}V_{CC} 的参考电压。

电阻分压网络由三个等值 5kΩ 电阻构成，因此555定时器得名“IC 555”。

5. 555定时器的工作原理​

三只 5kΩ 电阻形成电压分压网络，为两个比较器提供参考电压：

  • 23VCC\frac{2}{3}V_{CC} 供给上比较器的反相输入
  • 13VCC\frac{1}{3}V_{CC} 供给下比较器的同相输入

当阈值电压 > 23VCC\frac{2}{3}V_{CC} 时，触发器复位，输出为低电平，同时放电三极管导通，外部电容开始放电。 当触发电压 < 13VCC\frac{1}{3}V_{CC} 时，触发器置位，输出为高电平，同时放电三极管截止，外部电容开始充电。

6. RC时间常数​

在大多数操作中，满足定时要求是一个高度优先的任务。例如，工业中对金属或材料的加热过程是有时间限制的。

因此，实现特定时间要求可以通过定时器电路来完成。

一个基本的定时器电路如图所示。它由充电电路、比较器和输出单元组成。

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充电电路由一个电阻和一个电容组成。当将RC串联电路施加直流电压时，电容充至峰值所需的时间由电阻决定。

充电时间与电阻值成正比。电容在RC电路中充电的速率由时间常数决定。

RC时间常数（通常称为 Tau，符号表示为 τ\tau）是RC电路的时间常数，即电容通过电阻充电至初始值与最终值差值的约 63.2% 所需的时间。

它也等于电容放电至 36.8% 所需的时间。RC电路的时间常数等于电阻与电容的乘积：

τ=R×C\tau = R \times C

如前所述，当触发输入低于 13VCC\frac{1}{3}V_{CC} 时，定时器的输出变高，并且保持高电平的时间由 RC 时间常数决定。

555定时器输出脉冲的脉宽和频率均由 RC 时间常数确定。

7. RC定时元件的选择​

7.1 定时电容​

  • 选择大电容时应避免电解电容，因为其漏电流大且容差范围宽，精度低。
  • 若必须选择大容量且低漏电流的电容，推荐使用钽电容。
  • 工作电压应略高于555定时器的VCC，避免效率下降。
  • 容值过低（<100pF<100pF）的电容会受到寄生电容影响，导致定时误差。

7.2 定时电阻​

  • 在无稳态模式下，定时电阻应≥ 1kΩ。
  • 对于低功耗电路，推荐选取较大阻值。
  • 阻值过大（>1MΩ）会导致定时不准确。

8. 触发脉冲​

555定时器的 引脚2 用于接收触发脉冲。 当触发电压瞬时低于 13VCC\frac{1}{3}V_{CC} 时，输出变高并启动定时。

  • 触发脉冲应为窄负脉冲，持续时间应短于输出脉冲宽度。

  • 一般通过RC微分电路产生触发脉冲，并使用二极管消除正脉冲。

9. 555定时器的应用​

自20世纪70年代以来，IC 555被广泛应用于各类电路中，包括：

  • 脉冲信号生成
  • 延时电路
  • 精密定时
  • 顺序定时
  • 脉宽调制（PWM）

典型应用可根据其工作模式分类：

  • 无稳态模式：方波发生器、PWM、振荡器、频率分频器
  • 单稳态模式：缺脉冲检测、线性斜坡发生器、脉冲位置调制
  • 其他应用：音调脉冲发生器、直流-直流稳压器、电缆测试仪等