1.3 使用555定时器的Astable Multivibrator

多功能的555定时器集成电路可用于多种电路，如延时、振荡、脉冲发生、脉冲宽度调制等。在本教程中，我们将学习555定时器集成电路的双稳态多谐振荡器模式。我们将学习使用555定时器集成电路的双稳态多谐振荡器电路、其工作原理、计算占空比，并了解555定时器集成电路双稳态模式的一些重要应用。

使用555定时器集成电路的双稳态多谐振荡器

双稳态多谐振荡器也被称为自由运行多谐振荡器。它没有稳定状态，并且在没有任何外部触发信号的情况下，持续在两个状态之间切换。通过添加三个外部元件：两个电阻（$R_1$ 和 $R_2$）和一个电容（$C$），可以使IC 555作为双稳态多谐振荡器工作。555定时器作为双稳态多谐振荡器的原理图以及三个外部元件如下图所示。

IC 555双稳态多谐振荡器电路图：

引脚2和引脚6相连，因此不需要外部触发脉冲。它会自触发并作为自由运行多谐振荡器（振荡器）工作。其余连接如下：引脚8连接到电源电压（$V_{CC}$）。引脚3是输出端，因此输出从此引脚获取。引脚4是外部复位引脚。此引脚上的瞬间低电平将复位定时器。因此，当不使用时，引脚4通常连接到 $V_{CC}$。

引脚5上施加的控制电压将改变阈值电压水平。但对于正常使用，引脚5通过一个电容（通常为0.01µF）连接到地，以便过滤掉来自终端的外部噪声。引脚1是接地端。由 $R_1$、$R_2$ 和 $C$ 组成的定时电路决定了输出脉冲的宽度。

使用IC 555的双稳态多谐振荡器工作原理

下图描绘了IC 555在双稳态模式下运行的内部电路。RC定时电路包括 $R_1$、$R_2$ 和 $C$。

在上电时，触发器被复位（因此定时器的输出为低电平）。因此，放电晶体管被驱动至饱和（因为它连接到 $Q'$）。定时电路中的电容 $C$ 连接到IC 555的引脚7，并将通过晶体管放电。此时定时器的输出为低电平。电容两端的电压即为触发电压。因此，在放电过程中，如果电容电压低于 $\frac{1}{3} V_{CC}$，这是触发比较器（比较器2）的参考电压，比较器2的输出将变为高电平。这将置位触发器，因此定时器在引脚3的输出变为高电平。

这个高电平输出将关闭晶体管。因此，电容 $C$ 开始通过电阻 $R_1$ 和 $R_2$ 充电。现在，电容电压与阈值电压相同（因为引脚6连接到电容电阻连接点）。在充电过程中，电容电压呈指数增长至 $V_{CC}$，当它超过 $\frac{2}{3} V_{CC}$，这是阈值比较器（比较器1）的参考电压时，其输出变为高电平。

因此，触发器被复位。定时器的输出降至低电平。这个低电平输出将再次打开晶体管，为电容提供放电路径。因此，电容 $C$ 将通过电阻 $R_2$ 放电。因此，循环继续。

因此，当电容充电时，电容两端的电压呈指数增长，引脚3的输出电压为高电平。同样，当电容放电时，电容两端的电压呈指数下降，引脚3的输出电压为低电平。输出波形的形状是一系列矩形脉冲。双稳态模式下电容电压和输出的波形如下图所示。

在充电过程中，电容通过电阻 $R_1$ 和 $R_2$ 充电。因此，充电时间常数为 $(R_1 + R_2)C$，因为充电路径中的总电阻为 $R_1 + R_2$。在放电过程中，电容仅通过电阻 $R_2$ 放电。因此，放电时间常数为 $R_2C$。

双稳态多谐振荡器的占空比

充电和放电时间常数取决于电阻 $R_1$ 和 $R_2$ 的值。通常，充电时间常数大于放电时间常数。因此，高电平输出持续时间长于低电平输出，因此输出波形不对称。占空比是形成高电平输出与低电平输出之间关系的数学参数。占空比定义为高电平输出时间，即导通时间与一个周期的总时间的比值。

如果 $T_{ON}$ 是高电平输出的时间，$T$ 是一个周期的时间周期，则占空比 $D$ 由下式给出：

$D = \frac{T_{ON}}{T}$

因此，百分比占空比由下式给出：

$\%D = \left(\frac{T_{ON}}{T}\right) \times 100$

$T$ 是 $T_{ON}$（充电时间）和 $T_{OFF}$（放电时间）的总和。

高电平输出的时间 $T_{ON}$ 或充电时间 $T_C$ 由下式给出：

$T_{ON} = T_C = 0.693 \times (R_1 + R_2)C$

低电平输出的时间 $T_{OFF}$ 或放电时间 $T_D$ 由下式给出：

$T_{OFF} = T_D = 0.693 \times R_2C$

因此，一个周期的时间周期 $T$ 由下式给出：

$T = T_{ON} + T_{OFF} = T_C + T_D$ $T = 0.693 \times (R_1 + R_2)C + 0.693 \times R_2C$ $T = 0.693 \times (R_1 + 2R_2)C$

因此，$\%D = \left(\frac{T_{ON}}{T}\right) \times 100$

$\%D = \frac{0.693 \times (R_1 + R_2)C}{0.693 \times (R_1 + 2R_2)C} \times 100$ $\%D = \left(\frac{R_1 + R_2}{R_1 + 2R_2}\right) \times 100$

如果 $T = 0.693 \times (R_1 + 2R_2)C$，则频率 $f$ 由下式给出：

$f = \frac{1}{T} = \frac{1}{0.693 \times (R_1 + 2R_2)C}$ $f = \frac{1.44}{(R_1 + 2R_2)C} \ \text{Hz}$

$R_1$、$R_2$ 和 $C_1$ 的选择

不同频率范围下 $R_1$、$R_2$ 和 $C_1$ 的值选择如下：

$R_1$ 和 $R_2$ 应在1KΩ到1MΩ范围内。最好先选择 $C_1$（因为电容器的值有限且通常不可调，与电阻器不同），根据下表中的频率范围。

选择 $R_2$ 以达到所需的频率（$f$）。

$R_2 = \frac{0.7}{f \times C_1}$

选择 $R_1$ 为 $R_2$ 的十分之一（最小1KΩ）。

$C_1$	$R_2=10KΩ$	$R_2=100KΩ$	$R_2=1MΩ$
	$R_1=1KΩ$	$R_1=10KΩ$	$R_1=100KΩ$
0.001µF (102)	68KHz	6.8KHz	680Hz
0.01µF (103)	6.8KHz	680Hz	68Hz
0.1µF (104)	680Hz	68Hz	6.8Hz
1µF	68Hz	6.8Hz	0.68Hz
10µF	6.8Hz	0.68Hz	0.068Hz
		(41 per min.)	(4 per min.)

双稳态多谐振荡器的应用

方波发生

双稳态多谐振荡器的占空比总是大于50%。当占空比正好为50%时，双稳态多谐振荡器的输出为方波。使用上述提到的IC 555作为双稳态多谐振荡器，无法实现50%或更低的占空比。需要对电路进行一些修改。

修改方法是增加两个二极管。一个二极管与电阻 $R_2$ 并联，阴极连接到电容；另一个二极管与电阻 $R_2$ 串联，阳极连接到电容。通过调整电阻 $R_1$ 和 $R_2$ 的值，可以获得包括方波输出在内的5%到95%范围内的占空比。方波发生电路如下图所示。

在该电路中，充电时，电容通过 $R_1$ 和 $D_1$ 充电，绕过 $R_2$。放电时，通过 $D_2$ 和 $R_2$ 放电。

因此，充电时间常数 $T_{ON} = T_C$ 为：

$T_{ON} = 0.693 \times R_1 \times C$

放电时间常数 $T_{OFF} = T_D$ 为：

$T_{OFF} = 0.693 \times R_2 \times C$

因此，占空比 $D$ 为：

$D = \frac{R_1}{R_1 + R_2}$

为了获得方波，可以通过使 $R_1$ 和 $R_2$ 的值相等，将占空比设置为50%。方波发生器的波形如下图所示。

当 $R_1$ 的阻值小于 $R_2$ 时，可以实现小于50%的占空比。通常，可以通过使用电位器代替 $R_1$ 和 $R_2$ 来实现。还可以在不使用任何二极管的情况下，从双稳态多谐振荡器构建另一个方波发生器电路。通过将电阻 $R_2$ 放在引脚3和引脚2之间，即输出端和触发端之间。电路如下图所示。

在该电路中，充电和放电操作都仅通过电阻 $R_2$ 进行。电阻 $R_1$ 应足够大，以免在充电过程中干扰电容。它还用于确保电容充电至最大值（$V_{CC}$）。

脉冲位置调制

在脉冲位置调制中，脉冲的位置根据调制信号变化，而脉冲的幅度和宽度保持不变。每个脉冲的位置根据调制信号的瞬时采样电压变化。为了实现脉冲位置调制，使用两个555定时器集成电路，其中一个工作在双稳态模式，另一个工作在单稳态模式。

调制信号施加在工作于双稳态模式的第一个IC 555的引脚5上。该IC 555的输出是脉冲宽度调制波。这个PWM信号作为触发输入施加到工作在单稳态模式的第二个IC 555上。第二个IC 555的输出脉冲位置根据PWM信号变化，而PWM信号又取决于调制信号。

使用两个555定时器集成电路的脉冲位置调制器的原理图如下图所示。

第一个IC 555的阈值电压由控制电压（调制信号）决定，变化为上限阈值电平（UTL），由下式给出：

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

随着阈值电压相对于施加的调制信号变化，脉冲的宽度变化，因此，时间延迟也变化。当这个脉冲宽度调制信号施加到第二个IC的触发端时，输出脉冲的幅度或宽度不会变化，只有脉冲的位置发生变化。 脉冲位置调制信号的波形如下图所示。

脉冲列

我们知道双稳态多谐振荡器会产生连续的脉冲流。通过使用电位器代替 $R_2$，可以产生不同宽度的脉冲列。使用IC 555的双稳态模式操作的脉冲列发生器电路如下图所示。

使用双稳态多谐振荡器进行频率调制

双稳态多谐振荡器可用于产生频率调制信号。将调制信号施加到引脚5（控制电压）。使用IC 555的双稳态模式操作的频率调制电路如下图所示。

为了产生占空比约为50%的脉冲输出，在电阻 $R_2$ 并联一个二极管。通过由电容和电阻组成的高通滤波器将调制信号施加到引脚5。根据施加到引脚5的调制信号的幅度，输出将被频率调制。

如果调制信号的电压高，则输出信号的周期长；如果调制信号的电压低，则周期短。调制信号和频率调制信号的波形如下图所示。

总结

这是关于使用555定时器集成电路的双稳态多谐振荡器工作的完整初学者指南。你学会了如何将555定时器配置为双稳态多谐振荡器或自由运行振荡器，其电路及其操作，占空比的计算，以及555定时器集成电路双稳态模式的一些重要应用。