1.1 555定时器理论

IC 555 是最受欢迎且应用最广泛的集成电路之一。它是一种多功能且极其稳健的集成电路，被广泛应用于计时器、脉冲波形发生器和振荡器等领域。

IC 555，通常被称为555定时器，是由Signetic公司的Hans Camenzind在1971年开发的。它分为两个型号：NE 555和SE 555。NE 555适用于商业用途，温度范围为0°C到70°C；SE 555则按照军用标准设计，温度范围为-55°C到125°C。它是一种单片集成电路，也是首个商业化的计时器集成电路。

555定时器的特点

555定时器的一些重要特点如下：

• 555定时器可以在5 V到18 V的宽范围电源下工作。
• 它有三种不同的封装形式：8引脚金属罐封装、8引脚双列直插式封装（DIP）和14引脚DIP。
• 计时范围可以从微秒到小时。
• 它可以在双稳态和单稳态模式下工作。
• 输出电流高。
• 它具有可调占空比。
• 由于其高输出电流，它与TTL兼容。
• 输出可以为负载提供或吸收200 mA的电流。
• 它的温度稳定性为每摄氏度0.005%。

555定时器的不同工作模式

通常，555定时器可以在三种模式下工作：双稳态、单稳态（或单次触发）和双稳态。

双稳态模式

在这种模式下，555以自由运行模式工作。双稳态多谐振荡器的输出将在低电平和高电平之间持续切换，从而产生一串脉冲，这就是它被称为脉冲发生器的原因。

它是理想的方波发生器。它们被用作反相器，也被用于收音机的许多内部部件。选择热敏电阻作为定时电阻可以将555用作温度传感器。

单稳态模式

顾名思义，在单稳态模式下，它会保持在稳定状态，直到外部触发信号被施加。在这种模式下，555作为“单次触发”脉冲发生器工作。单稳态的最佳应用是在系统中引入时间延迟。

应用包括但不限于：计时器、脉冲丢失检测、无抖动开关、触摸开关、频率分频器、电容测量、脉冲宽度调制（PWM）等。

双稳态模式

在双稳态模式下，IC 555作为触发器工作，因为它有两个稳定状态。它可以用来存储1位数据。它不是实现触发器的首选。

555定时器的引脚配置

555定时器有8引脚金属罐封装、8引脚迷你双列直插式封装（DIP）和14引脚DIP。14引脚DIP是IC 556，包含两个555定时器。

8引脚DIP是最常用的。555定时器在两种8引脚封装中的引脚排列如下图所示。

所有引脚的名称、编号及其描述如下表所示。

引脚1 - 地（GND）

接地参考电压（低电平0V）。所有电压均以此端子为参考进行测量。

引脚2 - 触发端

负责触发器的置位和复位转换。外部触发脉冲的幅度会影响定时器的输出。当触发引脚的输入电压降至控制电压的一半以下（即VCC的1/3）时，输出变高，计时周期开始。

引脚3 - 输出端

此引脚提供驱动的输出波形。它被驱动至VCC以下1.7V。可以将两种类型的负载连接到输出端。一种是通常处于关闭状态的负载，连接在引脚3和引脚1（GND）之间；另一种是通常处于开启状态的负载，连接在引脚3和引脚8（VCC）之间。

引脚4 - 复位端

此引脚上的负脉冲将禁用或复位定时器。仅当此引脚上的电压高于0.7V时，定时器才会启动，因此在不使用时通常将其连接到VCC。

引脚5 - 控制电压

它控制阈值和触发电平，因此控制555的定时。控制电压决定了输出脉冲的宽度。通过将外部电压施加到此引脚，可以调制输出电压。通常，当不使用时，它通过一个10µF的电容连接到地，以消除任何噪声。

引脚6 - 阈值端

施加在此端子上的电压与2/3 VCC的参考电压进行比较。当此端子的电压大于2/3 VCC时，触发器复位，输出从高电平降至低电平。

引脚7 - 放电

它连接到内部NPN晶体管的开路集电极，用于放电定时电容。当此引脚上的电压达到2/3 VCC时，输出从高电平切换到低电平。

引脚8 - VCC或电源

将5V到18V的电源电压施加到此端子。

555定时器内部电路图

下图展示了555定时器的内部框图。它包括以下部分：

• 两个比较器
• 一个SR触发器
• 两个晶体管
• 一个电阻网络

比较器是基本的运算放大器。比较器1提供R输入，将阈值电压与2/3 VCC的参考电压进行比较。

比较器2提供S输入到触发器，将触发电压与1/3 VCC的参考电压进行比较。

三个5KΩ电阻组成的电阻网络作为分压电路。这些电阻的值均为5KΩ。这三个5KΩ电阻是该集成电路命名为“IC 555”的原因。

两个晶体管中，一个为放电晶体管。该晶体管的开路集电极连接到IC的放电引脚（引脚7）。根据触发器的输出，该晶体管进入饱和或截止状态。

当晶体管饱和时，它为连接到外部的电容提供放电路径。另一个晶体管的基极连接到复位引脚（引脚4），无论其他输入如何，都可以复位定时器。

555定时器的工作原理

三个5KΩ电阻构成一个分压网络。该网络为两个比较器提供两个参考电压：2/3 VCC到上比较器（比较器1）的反相端，以及1/3 VCC到下比较器（比较器2）的同相端。

上比较器的反相端连接到控制输入。通常，控制输入不使用，连接到2/3 VCC。上比较器的另一个输入是阈值，其输出连接到触发器的R输入。

当阈值电压大于2/3 VCC（即控制电压）时，触发器复位，输出变低。这将使放电晶体管导通（晶体管进入饱和状态），为任何外部连接的电容提供放电路径。

触发输入连接到下比较器的反相端。当触发输入低于参考电压（1/3 VCC）时，下比较器的输出为高。

这连接到触发器的S输入，因此触发器置位，输出变高，计时周期开始。由于输出为高，放电晶体管关闭，允许任何外部连接的电容充电。

因此，要使输出变高，触发输入应暂时低于参考电压。当阈值电压大于2/3 VCC时，输出变低，这复位了触发器，因此输出变低。

RC时间常数的介绍

在大多数操作中，满足计时要求是一项重要的任务。例如，工业中金属或材料的加热过程是时间受限的。

因此，通过计时器电路可以实现特定的时间要求。

下图展示了一个基本的计时器电路。它包括一个充电电路、一个比较器和一个输出单元。

充电电路由一个电阻和一个电容组成。当一个RC电路的串联组合施加直流电压时，电容充电到峰值所需的时间由电阻控制。

电容在RC电路中的充电速率由时间常数给出。

RC时间常数，通常称为Tau（用符号τ表示），是RC电路的时间常数，即电容通过电阻充电到初始值与最终值之间差值的大约63.2%所需的时间。

它也等于电容放电到36.8%所需的时间。RC电路的时间常数等于R和C的乘积。

$\tau = RC$

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

555定时器的输出脉冲宽度和频率由RC时间常数决定。

为定时器中的RC电路选择定时元件

555定时器可以根据充电电路中的电阻 $R$ 和电容 $C$ 的值提供从微秒到小时的延迟。因此，选择合适的电阻和电容值非常重要。

当555定时器工作在双稳态模式时，需要一个由两个电阻和一个电容组成的RC电路。而在单稳态模式下，RC电路由一个电阻和一个电容组成。

定时电容

选择大电容值的电容器可能会出现问题。这是因为大电容值的电解电容器通常具有较宽的容差范围。因此，实际值和标称值之间可能存在显著差异。

大电容值的电解电容器会有较高的漏电流，这会在电容器充电时影响计时精度。在选择大电容值且漏电流低的电容器时，钽电容器是一个更好的选择。

最好避免使用额定工作电压较高的电解电容器，因为它们在额定电压低10%的情况下运行时效率不高。

因此，应选择额定工作电压高于555定时器 $V_{CC}$ 的电容器。

为了产生短输出脉冲，选择电容值小于100 pF的定时电容也可能导致问题。

对于这种低值电容，电路周围的寄生电容可能会影响定时电容的电容值。

定时电阻

当555定时器作为双稳态多谐振荡器运行时，定时电阻的值应至少为1千欧姆。如果打算构建低功耗电路，则最好选择较大值的定时电阻。

然而，选择高阻值电阻存在缺点，因为它们会导致计时不准确。为了尽量减少这些不准确，定时电阻的值不应超过1兆欧姆。

触发电脉冲

555定时器的引脚2是触发输入。当触发输入低于参考电压（即 $\frac{1}{3} V_{CC}$）时，定时器的输出变高，计时周期开始。

触发电脉冲应短暂低于参考电压，其持续时间很重要，因为它不应长于输出脉冲。

触发电脉冲通常通过一个狭窄的负向尖峰来识别。由电容和电阻构成的微分电路会产生两个对称的尖峰，但使用二极管可以消除正向尖峰。

脉冲的持续时间由微分电路决定（即取决于电容和电阻）。

应用

自20世纪70年代初IC 555问世以来，它已被研究人员和爱好者广泛应用于众多电路和应用中。555定时器的一些重要应用领域包括：

• 脉冲发生
• 延时生成
• 精密定时
• 顺序定时
• 脉冲宽度调制（PWM）

555定时器的典型应用可以根据其工作模式进行区分。根据其工作模式（双稳态或单稳态），IC 555的一些应用包括：

• 频率分频器
• 线性斜坡发生器
• 缺失脉冲检测器
• 脉冲位置调制
• 方波发生
• 脉冲宽度调制
• 振荡器
• 音调突发发生器
• 超速警告装置
• 受控直流 - 直流转换器
• 电压 - 频率转换器
• 低成本线路接收器
• 电缆测试仪