555定时器及其应用华农.docx

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555定时器及其应用华农

一、实验目的

1.熟悉555型集成时基电路的电路结构、工作原理及其特点。

2.掌握555型集成时基电路的基本应用。

二、实验仪器与元器件

1.555定时器电路芯片X1

2.函数信号发生器

3.示波器

三、实验注意事项

1.“LM555”和“LMC555”分别是双极型和CMOS型；双极型的电压是+5V～+15V，最大负载电流可达200mA，CMOS型的电源电压是+3V～+18V,最大负载电流在4mA以下。

四、实验项目及原理

1.555集成时基电路称为集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。

该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。

它的内部电压标准使用了三个5K的电阻，故取名555电路。

其电路类型有双极型和CMOS型两大类，两者的工作原理和结构相似。

双极型的电压是+5V～+15V，最大负载电流可达200mA，CMOS型的电源电压是+3V～+18V,最大负载电流在4mA以下。

555电路的工作原理：

555电路的内部电路方框图如下图所示。

它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关Td，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使低电平比较器Vr1反相输入3VCC。

Vr1和Vr2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。

当输入信号输入并超过2/3VCC时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时充电，开关管截止。

是异步置零端,当其为0时,555输出低电平。

平时该端开路或接VCC。

Vro是控制电压端（5脚），平时输出2/3VCC作为比较器Vr1的参考电平,当5脚外接一个输入电压,即改变了比较器的参考电平,从而实现对输出的另一种控制,在不接外加电压时,通常接一个0.01uf的电容器到滤波作用,以消除外来的干扰,以确保参考电平的稳定。

Td为放电管,当Td导通时,将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

555定时器的各个引脚功能如下：

1脚：

外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

2脚：

低触发端TR。

3脚：

输出端Vo

4脚：

是直接清零端。

当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：

VC为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

6脚：

高触发端TH。

7脚：

放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

8脚：

外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。

一般用5V。

在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为低电平的情况下，555时基电路的功能表如表所示。

555定时器内部结构图

1.延时电路（单稳态电路）

单稳态触发器的特点是电路有一个稳定状态和一个暂稳状态。

在触发信号作用下，电路将由稳态翻转到暂稳态，暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态，并在输出端获得一个脉冲宽度为tw的矩形波。

在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路的参数值。

由NE555构成的单稳态触发器电路及工作波形如图1所示。

图中R，C为外接定时元件，输人的触发信号ui接在低电平触发端（2脚）。

稳态时，输出uo为低电平，即无触发器信号（ui为高电平）时，电路处于稳定状态——输出低电平。

在ui负脉冲作用下，低电平触发端得到低于（1/3）Vcc，触发信号，输出uo为高电平，放电管VT截止，电路进入暂稳态，定时开始。

在暂稳态期间，电源＋Vcc→R→C→地，对电容充电，充电时间常数T＝RC，uc按指数规律上升。

当电容两端电压uc上升到（2/3）Vcc后，6端为高电平，输出uo变为低电平，放电管VT导通，定时电容C充电结束，即暂稳态结束。

电路恢复到稳态uo为低电平的状态。

当第二个触发脉冲到来时，又重复上述过程。

工作波形图如图（b）所示。

输人一个负脉冲，就可以得到一个宽度一定的正脉冲输出，其脉冲宽度tw取决于电容器由0充电到（2/3）Vcc，所需要的时间。

可得：

tw=1.1rc

2.多谐振荡器电路

由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。

电路有稳态,仅存在两个暂稳态,电路亦不需要外接触发信号,利用电源通过R1、R2向C充电,以及C通过R2向放电端DC放电,使电路产生振荡。

电容C在2/3VCC和1/3VCC之间充电和放电,从而在输出端得到一系列的矩形波。

2.1电路图及输出波形：

2.2多谐振荡器电路图输出信号的时间参数为：

T1=0.693（RA+RB）C,

T2=0.693RB*C.

震荡周期T=T1+T2=0.693（RA+2RB）C.

其中, tw1为VC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时间,tw2为电容C放电所需的时间。

555电路要求R1与R2均应不小于1KΩ,但两者之和应不大于3.3MΩ。

外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性,555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。

因此,这种形式的多谐振荡器应用很广。

3.施密特触发器电路

在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，或者边沿产生振荡等。

通过施密特触发器整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。

只要将脚2和6连在一起作为信号输入端,即得到施密特触发器。

设被整形变换的电压为正弦波VS,其正半波通过二极管D同时加到555定时器的2脚和六脚，得到的Vi为半波整流波形。

当Vi上升到2/3VCC时,Vo从高电平转换为低电平;当Vi下降到1/3VCC时,Vo又从低电平转换为高电平。

3.1施密特触发器电路图及输出波形：

此部分可以结合仿真电路，按照实验项目逐一完成：

理论计算、分析、仿真、测量方法。

不需要抄实验指导书。

五、实验仿真及理论计算、分析

1.单稳态触发器

1.1计算

（1）当R=5kΩ，C=1μF的时：

t1（理论值）=1.1RC=1.1*5kΩ*1*10^-6=5.5ms;

t2（仿真值）=5.464ms

（2）当R=2kΩ，C=1μF的时：

t1（理论值）=1.1RC=1.1*2kΩ*1*10^-6=2.2ms;

t2（仿真值）=2.192ms

（3）当R=1kΩ，C=1μF的时：

t1（理论值）=1.1RC=1.1*1kΩ*1*10^-6=1.1ms;

t2（仿真值）=1.079ms

1.2测量：

用双踪示波器观察3端输出。

从2端输入负脉冲，未加触发信号时，LED不亮；3端输出为低电平，负脉冲触发后，3端输出高电平，LED亮，经输出脉冲宽度t后自动恢复到低电位。

LED闪烁。

1.3分析:

在触发信号作用下，该电路将由稳态翻转到暂稳态，暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态，并在输出端获得一个脉冲宽度为tw的矩形波。

在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度·tw，就是暂稳态的维持时。

而输出的脉冲宽度tw≈1.1RC.

2.多谐振荡器

2.1计算

（1）当RA=2KΩ；RB=15KΩ，C=22μF时：

t1（理论）=0.693（RA+RB）*C=259.182ms,；t2（理论）=0.693（RB）*C=228.69s;

t1（测量）=256.324ms；t2（测量）=232..715ms.

Vc1/Vo=3.325/5=0.665，Vc2/Uo=1.674/5=0.3342

（2）当RA=2KΩ；RB=30KΩ，C=22μF时：

t1（理论）=0.693（RA+RB）*C=487.872ms；t2（理论）=0.693（RB）*C=457.38ms;

t1（测量）=489.039ms；t2（测量）=455.312ms

Vc1/Vo=3.319/5=0.6317，Vc2/Uo=1.674/5=0.3342

2.2测量及分析：

电路第一暂态，输出为1，此时LED点亮。

电容充电，电路切换到第二状态输出为0，此时LED熄灭。

电路第二暂态，电容放电，电路转换到第一暂态。

当RA=2KΩ；RB=15KΩ，C=22μF时;

当RA=2KΩ；RB=30KΩ，C=22μF时;

3.施密特触发器

经施密特触发器整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。

六、课后题

3.如果将本实验的多谐振荡器电路作为闪光灯信号去控制数目更多，功率较大的灯泡（例如220V,25W灯100支，分两组），该怎么办？

利用三极管开关电路和两个继电器分别控制50个LED灯。