1.2 使用555定时器的单稳态多谐振荡器

使用555定时器的单稳态多谐振荡器是一种电路，它在响应输入触发信号时产生一个具有特定持续时间的单个输出脉冲。这种555定时器的配置也被称为单次触发多谐振荡器，因为它在单个脉冲后会恢复到稳定状态。输出脉冲的持续时间由连接到定时器的RC（电阻 - 电容）网络决定。这些指南涵盖了从基本原理、电路图、实际组装技巧到使用555定时器的单稳态多谐振荡器的应用。

电路和工作原理

下图是IC 555作为单稳态多谐振荡器的原理图。这是IC 555的基本工作模式。它只需要两个额外的元件就能作为单稳态多谐振荡器工作：一个电阻和一个电容。

正如其名称所示，单稳态多谐振荡器只有一个稳定状态。当施加触发输入时，输出端会产生一个脉冲，并在一段时间间隔后返回到稳定状态。脉冲保持高电平的时间长度取决于由电阻 $R$ 和电容 $C$ 组成的定时电路。

连接细节如下：

• 引脚1和引脚8分别连接到地和电源（$V_{CC}$）。
• 输出从引脚3取出。
• 为了避免电路意外复位，引脚4连接到 $V_{CC}$。
• 引脚5是控制电压输入，在不使用时应接地。为了滤除噪声，它通过一个0.01µF的小电容连接到地。

工作原理

单稳态模式也被称为“单次触发”脉冲发生器。事件序列从将一个负向触发脉冲施加到触发比较器开始。当触发比较器检测到短暂的负向触发脉冲刚好低于参考电压（$\frac{1}{3} V_{CC}$）时，设备被触发，输出变高。

放电晶体管被关闭，连接到其集电极（CMOS情况下为漏极）的外部电容 $C$ 将开始通过电阻 $R$ 充电至最大值。当电容上的电荷达到 $\frac{2}{3} V_{CC}$ 时，高电平输出脉冲结束。555定时器在单稳态模式下的内部连接以及RC定时电路如下图所示。

详细工作原理

• 最初，触发器被复位。这将使放电晶体管饱和。连接到晶体管开路集电极（CMOS情况下为漏极）的电容 $C$ 被提供了一个放电路径。因此，电容完全放电，其两端的电压为0。引脚3的输出为低电平（0）。
• 当一个负向触发脉冲输入施加到触发比较器（比较器2）时，它与 $\frac{1}{3} V_{CC}$ 的参考电压进行比较。只要触发输入大于参考电压，输出就保持低电平。当触发电压低于 $\frac{1}{3} V_{CC}$ 时，比较器的输出变高，这将置位触发器。因此，引脚3的输出将变高。
• 同时，放电晶体管被关闭，电容 $C$ 将开始充电，其两端的电压呈指数上升。这实际上就是引脚6处的阈值电压。它与 $\frac{2}{3} V_{CC}$ 的参考电压一起被送入比较器1。只要电容两端的电压低于 $\frac{2}{3} V_{CC}$，引脚3的输出将保持高电平。
• 当阈值电压（即电容两端的电压）超过参考电压时，比较器1的输出变高。这将复位触发器，因此引脚3的输出将降至低电平（逻辑0），即输出返回到其稳定状态。由于输出为低电平，放电晶体管被驱动至饱和，电容将完全放电。
• 因此，可以注意到引脚3的输出在开始时为低电平，当触发信号低于 $\frac{1}{3} V_{CC}$ 时，引脚3的输出变高，当阈值电压高于 $\frac{2}{3} V_{CC}$ 时，输出变低，直到下一个触发脉冲出现。在输出处产生一个矩形脉冲。输出保持高电平的时间或矩形脉冲的宽度由定时电路控制，即电容的充电时间取决于时间常数 $RC$。

脉冲宽度推导

我们知道电容 $C$ 两端的电压呈指数上升。因此，电容电压 $V_C$ 的方程可以写为：

$V_C = V_{CC} \left(1 - e^{-\frac{t}{RC}}\right)$

当电容电压为 $\frac{2}{3} V_{CC}$ 时，

$\frac{2}{3} V_{CC} = V_{CC} \left(1 - e^{-\frac{t}{RC}}\right)$ $\frac{2}{3} = 1 - e^{-\frac{t}{RC}}$ $e^{-\frac{t}{RC}} = \frac{1}{3}$ $-\frac{t}{RC} = \ln\left(\frac{1}{3}\right)$ $-\frac{t}{RC} = -1.098$ $t = 1.098 RC$ $\therefore t \approx 1.1 RC$

因此，输出矩形脉冲的脉冲宽度为 $W = 1.1 RC$。

单稳态操作的波形如下图所示。

单稳态多谐振荡器的应用

频率分频器

当IC 555用作单稳态多谐振荡器时，在触发输入处施加一个短的负向脉冲时，输出处会有一个正向矩形脉冲。通过调整充电或定时电路的时间间隔 $t$，可以使设备作为频率分频电路工作。

如果将定时间隔 $t$ 稍微设置得大于输入脉冲（触发脉冲）的周期，则设备可以作为“二分频”电路工作。通过适当选择定时电路中的电阻 $R$ 和电容 $C$ 的值，可以控制定时间隔。对应于二分频电路的输入和输出信号的波形如下图所示。

电路将在触发输入的第一个负脉冲时被触发。因此，输出将进入高电平状态。输出将在时间间隔 $t$ 内保持高电平。在此期间，即使施加了第二个负向触发脉冲，输出也不会受到影响，并将继续保持高电平，因为定时间隔大于触发脉冲的周期。在第三个负向触发脉冲时，电路被重新触发。

因此，电路将在每个交替的负向触发脉冲时被触发，即每个输入脉冲对应一个输出脉冲，因此它是一个二分频电路。通过调整定时间隔，单稳态电路可以产生输入频率的整数分数。

脉冲宽度调制

通过将调制信号作为控制电压施加到引脚5，可以将IC 555的单稳态工作模式转变为脉冲宽度调制器。使用单稳态多谐振荡器的脉冲宽度调制器电路如下图所示。

控制信号将调制阈值电压，因此输出脉冲宽度被调制。随着控制电压的变化，阈值电压（即比较器1的输入）也会变化。因此，电容充电到阈值电压水平的时间将变化，从而在输出处产生脉冲宽度调制波。输入、输出和调制信号的波形如下图所示。

由于控制信号的应用，电容的上阈值电压水平将不同。新的上阈值水平 $UTL$ 由下式给出：

$UTL = \frac{2}{3} V_{CC} + V_{MOD}$

其中 $V_{MOD}$ 是调制信号的电压。

由于新的阈值水平，输出的脉冲宽度由下式给出：

$W = -RC \ln\left(1 - \frac{UTL}{V_{CC}}\right)$

输出的周期与输入相同。

线性斜坡发生器

通过增加一个恒流源，单稳态多谐振荡器可以作为线性斜坡发生器工作。由一个二极管和一个PNP晶体管组成的电流镜被用作恒流源。这个恒流源被放置在定时电阻的位置。使用555定时器的单稳态模式的线性斜坡发生器电路如下图所示。

恒流源的电流 $I_C$ 将以恒定速率向峰值电压 $V_{CC}$ 对电容充电，从而产生上升的线性斜坡。当电容两端的电压达到 $\frac{2}{3} V_{CC}$ 时，比较器1将驱动放电晶体管进入饱和状态。因此，电容开始放电。在放电过程中，当电容两端的电压降至 $\frac{1}{3} V_{CC}$ 时，比较器2将关闭放电电容。

因此，电容将再次开始充电。电容的放电时间与充电时间相比非常短。因此，下降斜坡非常陡峭（几乎是立即放电）。因此，斜坡输出的周期实际上等于电容的充电时间。斜坡输出的周期大约由下式给出：

$T = \frac{\frac{2}{3} V_{CC} R_e (R_1 + R_2) C}{R_1 V_{CC} - V_{be} (R_1 + R_2)}$

线性斜坡发生器的斜坡输出和脉冲输出的波形如下图所示。

激活继电器

单稳态多谐振荡器可以用来驱动继电器。下图展示了电路。

这些电路被称为延时继电器。在这个电路中，继电器一旦被激活，就会保持在接通状态一段时间。继电器保持接通的时间可以根据定时电路中的电阻 $R$ 和电容 $C$ 的值在0到20秒之间变化。

例如，如果需要继电器接通10秒以激活外部设备，可以使用公式 $t = 1.1 RC$ 来计算电阻和电容的值。

假设电容的值为其最小可能值，即10µF，电阻的值为：

$10 = 1.1 \times R \times 10\mu F$ $\therefore R = 909090.9090 \approx 909 \ \text{k}\Omega$

可以使用电位器来调整电阻，从而调整延时。

缺失脉冲检测器

下图展示了缺失脉冲检测器的电路。一个PNP晶体管连接在电容上，输入触发脉冲序列同时施加到晶体管的基极和IC 555的引脚2触发输入。

触发脉冲序列会不断复位定时周期。因此，输出始终保持高电平。如果任何触发脉冲丢失，设备会检测到这个丢失的脉冲，输出变低。详细工作原理如下。当输入为0时，PNP晶体管导通，电容两端的电压被钳制在0.7V，输出为高电平。当输入触发电压为高电平时，晶体管截止，电容开始充电。

如果在定时周期完成之前输入触发信号再次变低，电容两端的电压在达到阈值电压（$\frac{2}{3} V_{CC}$）之前就会降至0.7V，输出继续保持高电平。如果由于脉冲丢失，输入触发信号在定时周期完成之前没有变低，它允许电容充电至阈值电压，输出将变低。

为了使这个电路作为缺失脉冲检测器工作，输入触发信号的周期应略小于定时间隔。因此，连续的负向输入脉冲不会使电容充电至阈值电压。输出继续保持高电平。如果输入频率发生变化或出现脉冲丢失，电容将充电至阈值电压，输出变低。输入脉冲、电容两端电压和输出信号的波形如下图所示。