555定时器（1）单稳态触发器电路及Multisim实例仿真

555定时器（Timer）因内部有3个5K欧姆分压电阻而得名，是一种多用途的模数混合集成电路，它能方便地组成施密特触发器、单稳态触发器与多谐振荡器，而且成本低，性能可靠，在各种领域获得了广泛的应用。

其原理框图如下图所示：

  其中，第2脚TRIG（Trigger）为外部低电平信号触发端，第5脚为CONT（Control）为电压控制端，可通过外接电压来改变内部两个比较器的基准电压，不使用时应将该引脚串入0.01u电容接地以防止干扰。第6脚THRES（Threshold）为高电平触发端，第7脚DISCH（Discharge）为放电端，与内部放电三极管的集电极相连，用做定时器时电容的放电。

 

555定时器最基本的功能就是定时，实质为一个单稳态触发器，即外加信号一旦到来后，单稳态触发器可以产生时间可控制的脉冲宽度，这个脉冲的宽度就是我们需要的定时时间。为更方便地描述555定时器的原理，我们首先用下图所示电路来仿真一下单稳态触发器电路：

 

 

该单稳态触发器电路是负脉冲触发，因此我们设置周期为50ms，而高电平宽度为49ms，亦即负脉冲（低电平）宽度为1ms，仿真波形如下图所示：

 

 

从波形图上可以看到，每来一个负脉冲（低电平）信号（橙色），则电路输出固定宽度的脉冲（蓝色），此电路的输出脉冲宽度由电阻R1与电容C1决定，约为1.1R₁C₁（即1.1×1×10=11ms），我们将细节部分放大后测量一下输出的实际数据，如下图所示：

 

 

仿真输出脉冲宽度约为11.0347ms，与理论值非常接近。为了更进一步分析电路的工作原理，我们用四通道示波器来跟踪如下图所示的三个信号波形：

 

 

其波形如下图所示：

 

与之前的波形是一样的，只不过加入了THR与DIS引脚（连接在一起的）的波形，我们将其中一部分放大如下图所示：

 

555芯片内部的三个5K电阻将5V直流电源电压，其中2/3（约3.3V）供给比较器CMP1的同相端，1/3（约1.6V）供给比较器CMP2的反相端。比较器CMP1的反相端经过电容C1接地，在电路刚刚上电时，由于电容C1两端的电压不能突变，反相端的电压比同相端低，因此比较器CMP1输出高电平H（由于RS触发器是数字逻辑，因此后级电路按高电平H与低电平L来区别）。而对于比较器CMP2，同相端默认电平是高电平（负脉冲触发），比反相端电压1.6V高，因此，比较器CMP2输出也为高电平H。

由于R=H，S=H，RS触发器处于状态保持，我们假设555定时芯片处于复位状态，此时触发器输出为高电平H（也可以是低电平，最后的结果是一样的），经过一个反相器NOT后，则电路输出为低电平L，其状态如下图所示：

 

 

 

 

另一方面触发器输出的高电平H使三极管Q1饱和导通，此时第7脚DISCH被拉为低电平L（相当于电容C1处于放电状态），这个引脚同时与比较器CMP1的反相端同电位，维持比较器CMP1输出为H，此时电路为稳定状态，且输出为低电平，在这个寂寞的黑夜里，一边静静地等待着外部触发信号的到来，一边欣赏着点点繁星的夜色，如下图所示：

 

 

如果外部触发（低电平）信号一直没有到来，则电路一直保持输出为低电平L，波形如下图所示：

 

 

皇天不负有心人，终于等到了期待已久的负电平触发脉冲，比较器CMP2的同相端电压低于反相端电压而输出低电平L，由于R=H，S=L，RS触发器处于置位状态输出低电平L，一方面经反相器NOT输出高电平H，另一方面使三极管Q1截止，此时直流5V电源通过电阻R1对电容C1充电，第6脚THRESHOLD电位开始上升，如下图所示：

 

 

在电容C1上的电压还没有超过3.3V（即VCC的2/3）前，比较器CMP1的输出状态是不会变化的，则如下图所示：

 

在电容C1充电期间，如果输入低电平触发脉冲撤消（即当前输入为高电平H），比较器CMP2输出为高电平H，由于R=H，S=H，RS触发器处于保持状态，不影响电路的输出状态，如下图所示：

 

 

当电容C1上电压超过3.3V时，则比较器CMP1输出为低电平L，由于R=L，S=H，触发器因处于置位状态而输出高电平H，一方面经反相器NOT输出低电平L，如下图所示：

 

 

 

 

另一方面触发器输出的高电平H使三极管Q1饱和导通，此时第7脚DISCH被拉为低电平L（相当于电容C1处于放电状态），这个引脚同时与比较器CMP1的反相端同电位，维持比较器CMP1输出为高电平H，此时电路又返回稳定状态，且输出为低电平，又是这样一个寂寞的黑夜里，一边静静地等待着外部触发信号的到来，一边欣赏着点点繁星的夜色，如下图所示：

 

 

此时波形如下图所示：

 

 

当然，输入触发信号有可能在电容C1充电期间一直保持为低电平，电容C1充电超过VCC的2/3时，比较器CMP1输出低电平，此时R=L，S=L，理论上RS触发器不允许出现这种状态，因此触发器输出一直为低电平L，也就是电容C1一直在充电直到5V电压，如下图所示

 

这也算是一种稳定状态，但这种状态是不允许出现的，也就是说，触发信号的宽度至少不应该比定时的宽度要长。

 

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