模拟集成电路—NE555

前言

        上一期我们介绍了电压、电流、电阻等基本概念以及最基本的元器件电阻器、电容器、电感器、熔断器、二极管、三极管等。接下来我们就一起走进模拟电路。这期主要介绍一下简单的模拟电路——NE555。

模拟集成电路—NE555

        NE555是1971年左右发布的一款用于计时的集成电路，它可以使用振荡的方式，将模拟电路中的 电压、电流输出为脉冲信号。下图为NE555的外观图和输出的信号图：

芯片手册

        我们采用扬州国芯的NE555芯片，数据手册编号C5157852。以下网址为深圳立创商城所提供的数据：

https://so.szlcsc.com/global.html?k=C5157852&hot-key=LTM4644IY%23PBF

主要特点

        静态电流小，典型值2.7mA

        芯片禁止输入端可使IC掉电

        掉电时静态电流小，典型值65uA

        可驱动多种阻抗的扬声器8Ω以上

        使用32Ω负载时 输出功率超过250mW

        失真小0.5% TYP

        在语音频段 增益可从 0dB 调至 46dB

        外围元件少

        封装形式 SOP8/DIP8

                                        

NE555功能结构

比较器（运算放大器）

        NE555原理图中的阀值比较器和触发比较器，都是基于运算放大器实现的，运算放大器可以 处理两路电信号，通过输入的这两路电信号的比较结果来决定输出什么样的结果。

                

        上面两张图分别只有2个输入端1个输出端，输入端分别是：+端，-端。输出端是运算放大器 内置的2个电压值，分别是：最大输出电压、最小输出电压。

        当两个输入端值发生变化时，输出结果有以下两种情况：

        +端电压 -端电压，输出端：最大输出电压；

         +端电压 -端电压，输出端：最小输出电压；

相反器

        相反器在逻辑电路中称为反相门或非门（NOT gate），是一种只有一个输入端口和一个输出 端口的逻辑门，它输出的结果等于输入的反向值。

                

        上面两张图分别只有1个输入和1个输出，输出的结果有两种，一个是0V，另一个是反相门的 最大电压。

        当输入端发生变化时，输出结果有以下两种情况：

        输入端：5V，输出端：0V； 输入端：0V（或2.6V以下），

        输出端：最大输出电压；

或非门

        或非门可以有多个输入，但只有1个输出。输出端只有在所有输入端均为低电平时，才会输出 高电平，其他情况均输出低电平。

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双稳态触发器

        双稳态触发器是一种带有记忆功能的逻辑电路，主要由两个或非门组成，示例见下图：

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默认情况下输出端Q是低电压，呈现0态。

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当输入信号端（S）拉高时，输出端Q为高电压，呈现1态，同时被记忆下来。

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当输入信号端（S）拉低时，输出端Q为还是为高电压，呈现1态，这时重复拉高拉低信号端，输出端Q不再变化。

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接下来将重置端R拉高，输出端Q的状态回复到低电平（0态）。

        经过上面了解，可以发现双稳态触发器有以下几种功能： 1. 有两个稳定状态：0态（低电压）、1态（高电压）； 2. 能根据输入信号将触发输出置成0态或1态； 3. 输入信号消失后，被置成的0或1态能保存下来； 输出的电压根据第一次输入的电压相关，具有记忆功能，直到重置端被置成高电压，电压重置。

功能框图

        下图为NE555的功能框架图，包含8个引脚，分别表示为：

        1. GND 地：负极

        2. RTIG 触发：低触发端

        3. OUT 输出：信号输出端

        4. R 复位：清零端

        5. CON 触发控制：控制电压端

        6. CON 阈值控制：高触发端

        7. DIS 放电：放电端

        8. Vcc 电源：正极

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应用线路设计与仿真

工作原理分析

当5V的电源Vcc接通时，默认情况下电流会分别朝着3个地线（GND1、GND2、GND3）方向流动，如 下：

1. GND1方向：根据串联分压原理，5V电压被3个5k的电阻电压分配如下：

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2. GND2方向：由于双稳态触发器输出的是低电平（0v），三极管的基极未导通，所以三极管的集电 极和发射极是截止状态，那么Vcc -> GND2处于断开状态；

3. GND3方向：

        3.1 电容器C1开始充电，电容内的电压也逐渐升高：0mV~3.4V，如下：

当电容的电压超过3.3V时，阈值和触发比较器的输出会发生变化，如下：

此时的电路状态为：阈值比较器输出高电平，触发比较器输出低电平，双稳态触发器输出高电平， 输出端口3取反后输出低电平；

        3.2 三极管基极拉高（导通）以后，三极管的集电极和发射极导通，电路会出现如下状态：

        Vcc通过Ra电阻和三极管的集电极和发射极回到地线（负极）；

        电容内的电压高于3.3v时，开始放电，电容C1先通过Rb电阻，然后再通过三极管的集电极 和发射极回到地线（负极）；

        电容在放电过程中其电压会逐渐减小，当内部的电压小于1.7V时，触发比较器将输出高电 平，双稳态触发器则输出低电平，输出端口3取反后输出高电平；

        此时，输出端口切换为高电平，电路状态重新回到第3.1步，电容开始充电……如此反复。 总结一句话：电容充电时输出高电平、放电时输出低电平。

总结

        通过上面对模拟电路的学习，我们了解到可以通过模拟电路输出指定频率的数字信号，这些信号会 以方波的方式进行周期性的输出，形成脉冲波形。这种波形应用非常广泛，可以用来做很多实用的 案例，比如：延时灯、电子琴、延迟开关、电子钟、电机调速器等等。