实验八 555定时器(定稿)

实验八 555定时器及其应用 一、实验目的

1．熟悉集成555定时器的特性参数和使用方法。 2．掌握使用555定时器组成施密特触发器的方法

3．掌握使用555定时器组成单稳态触发器的方法，定时元件RC对脉冲宽度的影响。 4．掌握使用555定时器组成自激多谐振荡器的方法和定时元件RC对振荡周期和脉冲宽度的影响。 二、实验器材

1．数字电路实验箱 1台 2．示波器 1 台 3．万用表 1 只 4．集成电路：555定时器 1 只 5．元器件：电阻、电容 三、实验原理和电路

1．器件特性

555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。

集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位数都

图8.1 (a)双极性型5G555的主要性能参数 参数名称 电源电压 电源电流 阈值电压 符号 单位 参数 (b) CMOS型7555的主要性能参数 参数名称 电源电压 电源电流 阈值电压 符号单位 参数 若干只

VCC V 5~16 ICC mA 10 2VCCVTH V 3VCC V 3~18 ICC μA 60 2VDD VTH V 31VDD VTR V 3触发电压 输出低电平 输出高电平 最大输出电流 最高振荡频率 时间误差 VTR V 13VCCVOL VOH IOMAX△t V 1 V 13.3 mA ≤200 触发电压 输出低电平 输出高电平 最大输出电流 最高振荡频率 时间误差 V V 0.1 V V 14.8 IOMAX△t mA ≤200 fMAX KHz ≤300 nS ≤5 fMAX KHz ≥500 nS ① VTH即Vi1 ,VTR即Vi2 。 119

是555，CMOS型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为4．5～12V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。其主要参数见表8.1。

555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图8.1和图8.2所示。

..

84VCCRdCdCR7VDisQ3R5K2555VcoTRC1RQVoG1G36DVco5THNGVi1(TH)1R5KVi2(a) 555的逻辑符号G2(TR)C2QSR1DisVCCDisTHVco8765Vo'R5KT5551234..GNDTRVoRd(b) 555的引脚排列图8.1 555定时器内部结构 图8.2 555定时器逻辑符号和引脚 引脚功能：

Vi1（TH）

：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。 Vi2（TR）：低电平触发端，简称低触发端，标志为TR。 VCO：控制电压端。 VO：输出端。 Dis：放电端。

Rd：复位端。

555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生13VCC和23VCC两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。

Rd是复位端，低电平有效。复位后, 基本RS触发器的Q端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。

分析图8.1的电路：在555定时器的VCC端和地之间加上电压，并让VCO悬空，则

比较器C1的同相输入端接参考电压23VCC，比较器C2反相输入端接参考电压13VCC ，为了学习方便，我们规定：

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当TH端的电压>23VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压<23VCC时，写为VTH=0。 当TR端的电压>13VCC时，写为VTR=1，当TR端的电压<13VCC时，写为VTR=0。 ① 低触发：当输入电压Vi2<13VCC 且Vi1<23VCC时，VTR=0，VTH=0，比较器C2输出为低电平，C1输出为高电平，基本RS触发器的输入端S=0、R=1，使Q＝1，Q＝0，经输出反相缓冲器后，VO＝1，T截止。这时称555定时器“低触发”；

② 保持：若Vi2>13VCC 且Vi1<23VCC，则VTR=1，VTH=0，S=R=1，基本RS触发器保持，VO和T状态不变，这时称555定时器“保持”。

③ 高触发：若Vi1>23VCC，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器因R=0，使Q＝1，经输出反相缓冲器后，VO＝0；T导通。这时称555定时器“高触发”。

555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即VTH、VTR的“0”、“1”）必须牢牢掌握。

VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。正常工作时，要在VCO和地之间接0．01μF（电容量标记为103）电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。555定时器的控制功能说明见表8.2。

根据555定时器的控制功能，可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路，例如,史密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。

2．史密特触发器

由555定时器组成的史密特触发器见图8.4（虚线框中电位器RW用来调节阈值）；在数字电路中用于脉冲信号的整形。当输入Vi是不规则信号时，经史密特触发器处理 后，输出为规则的方波；将史密特触发器用于数据通讯电路中，具有一定的抗干扰能力。

在图8.4（a）电路中，若Vi端 （即555的2、6脚）输入三角波（或正弦波）及其它不规则的波形，则在输出端VO（3脚）输出幅值恒定的方波。史密特触发器是一种具有双 （如果在VCO端接入RW，则可调节阈值）。 阈值（VT＋、VT—）的比较器电路，

工作原理：在不接入RW时，VT＋=23VCC，VT—=13VCC。因为Vi端与TH和TR端连接，

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× <2VCC 3× TH 表8.2 555定时器控制功能表 输 入 TR 输 出 Rd VO Dis LHHHL H 不变 导通 截止 不变 导通 <1VCC 3>1VCC 3× <2VCC3>2VCC3L

所以：Vi=VTH=VTR 。由表8.2分析可知：

① Vi < VT— 时，VTH = 0, VTR = 0，555定时器“低触发”

，VO为高电平。 ② VT— < Vi < VT＋ 时，VTH=0，VTR=1，555定时器“保持”

，VO保持。 ③ Vi > VT＋ 时，VTH = 1，VTR = 1，555定时器“高触发”

，VO为低电平。 .RVCCVi+5V.3K84100KRWtCRVcRCV103C10K6THQ3V1ViVo2555VoTR尖脉冲ViDVC5t方波输入Vc7DISNC1G.103C2Vo103V21Twt图8.5 微分电路 (a) 单稳态触发器电路(b) 波形图

.图8.6 单稳态触发器电路与波形图 3．单稳态触发器

图8.6所示为单稳态触发器的电路和波形图。单稳态触发器在数字电路中常用于规整信号的脉冲宽度（TW）

：将脉宽不一致的信号输入单稳态触发器后，可输出脉宽一致的脉冲信号。另外，单稳态触发器也常用于定时器电路中，调整RC的值可以得到不同的定时值。

单稳态触发器采用电阻、电容组成RC定时电路，用于调节输出信号的脉冲宽度TW。在图8.6（a）的电路中，Vi接555定时器的TR端，其工作原理如下：

① 稳态（触发前）：Vi为高电平时，VTR=1，输出VO为低电平，放电管T导通，定时电容器C上的电压（6、7脚电压）VC = VTH = 0 ，555定时器工作在“保持”态。

② 触发：在Vi端输入低电平信号，555定时器的TR端为低电平，电路被“低触发”，Q端输出高电平信号，同时，放电管T截止，定时电容器C经（R+RW）充电，VC逐渐升高。电路进入暂稳态。在暂稳态中，如果Vi恢复为高电平（VTR=1），但VC充电尚未达到23VCC时（VTH=0），555定时器工作在保持状态，VO为高电平，T截止，电容器继续充电。

③ 恢复稳态：经过一定时间后，电容器充电至VC略大于23VCC ，因VTH>23VCC使555定时器“高触发”，VO跳转为低电平，放电管T导通，电容器经T放电，VC迅速降为0V，这时，VTR=1，VTH=0，555定时器恢复“保持”态。

④ 高电平脉冲的脉宽TW：当VO输出高电平时，放电管T截止，电容器开始充电，在电容器上的电压<23VCC这段时间，VO一直是高电平。因此，脉冲宽度即是由电容器C开始充电至VC=23VCC的这段暂稳态时间。

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脉冲宽度计算公式：Tw≈1.1(R+RW)C。

⑤ 图8.5为产生窄负脉冲用的“微分电路”，原理后附。 4．自激多谐振荡器

图8.7所示为自激多谐振荡器电路和波形图。自激多谐振荡器用于产生连续的脉冲信号。电路采用电阻、电容组成RC定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。调节RW或电容C，可得到不同的时间常数；还可产生周期和脉宽可变的方波输出。

脉冲宽度计算公式：Tw≈0.7 (R1+RW+R2) C 振荡周期计算公式：T≈0.7 (R1+RW+2R2) C

.

VCCR1RW100K7R210K3KV1Vo8.4V2VCCDISRtQ35V3C3103TwTtVoVo62555GND1THTRVCC1103C210uF(a) 自激多谐振荡器电路(b) 振荡波形

图8.7 自激多谐振荡器电路和波形图

分析方法与单稳态电路相似，但电容器C的充电电阻是R1+RW+R2 ，放电电阻是R2 。555定时器低触发，VO为高电平，放电管T截止，电容器经（R1+RW+R2）当VC是低电平时，

充电，当充电至VC=VTH>23VCC时，电路高触发，输出VO变为低电平，放电管T导通，电容器经R2放电，当放电至VC=VTR<13VCC时，电路又进入低触发，VO变为高电平，如此周而复始，循环不止，输出连续脉冲信号。 四、实验内容及步骤

将555定时器插入实验箱中（注意器件方向），电源电压VCC=＋5V。然后按以下步骤进行。

1．史密特触发器

① 对照图8.4（a）接线。其中555定时器的2和6脚接在一起为Vi ，3脚VO接状态

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灯，用来监视VO状态。

② 用实验箱中的100K电位器按图8.3接线，组成一个直流信号源，与单稳态触发器的Vi端连接 ，VCC接＋5V。用数字万用表监测Vi的电压。

③ 检查接线无误后，接通电源，旋转电位器改变直流输入信号Vi的电压值，观察状态灯的亮、灭情况，在状态灯亮、灭的临界点十分缓慢地旋转电位器，仔细、反复进行几次，找出使状态灯亮、灭对应的Vi电压准确值，判断VTH1、VTH2 。记录结果。

2．单稳态触发器

按图8.6（a）接线，组成单稳态触发器。由于该电路Vi端输入信号的脉宽必须小于输出脉冲VO的脉宽（即需要窄脉冲触发）才能定时准确，因此当使用方波信号作为输入信号时，必须经“微分电路”变为窄脉冲。按图8.5接线，组成微分电路。将实验箱的“单次正脉冲信号”经微分电路接Vi ，输出VO接状态灯。

① 调节Rw为最大值100KΩ 输入单次脉冲一次，观察状态灯亮的时间。调节RW，再进行输入Vi的操作，观察状态灯亮时间。实验者更换定时电容C为10μF，再进行上述操作，观察输出Vo的延时情况。

② 调节连续脉冲发生器（Pules Input）产生500Hz方波信号，并经微分电路接单稳态触发器的Vi端。用示波器Y1观测Vi ，Y2分别观测Vo和VC ，记录波形。

3．多谐振荡器

并把10μF电容C接入电路中。 按对照图8.5（a）接线，输出端VO接状态灯和示波器，① 接线完毕，检查无误后，接通电源，555定时器工作。这时可看到状态灯间歇闪亮。调节RW的值，记录现象。

③ 改变电容C的数值为0.01μF（即103pF），再调节RW ，用示波器观察输出波形的变化，记录RW=0和RW=100K时的VC 、VO波形、脉宽及频率。 五、预习要求

1．复习555定时器的结构和工作原理，写出低触发、保持和高触发的输入条件。

2．计算实验电路中555单稳态触发器和多谐振荡器的RC值与脉冲波形的关系理论值（设C=0.01μF，RW=0和RW=100K两种情况）。

3．掌握555定时器的管脚排列。 六、实验报告要求

1．整理实验线路，画出各种实验波形。 2．分析理论计算值和实际测得值的误差为多少，

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附：微分电路工作原理：

图8.5所示RC网络在电子电路中有两种作用：“耦合”与“微分”。该电路的时间常数为:τ=RC（秒）。当输入信号的脉宽（TW）远小于τ时，RC电路起耦合作用，VO波形与Vi相差不大，见附图1（a）；但当输入信号脉宽较宽时，由于平顶降落（δ）较大，使输出信号脉宽变窄，RC电路对输出信号起微分作用，VO变为尖脉冲，见附图1（b）。平顶段的计算公式：

uo(t)=Ui⋅e

−TWRC

VitVot.

(a) 窄脉冲输入、输出波形

Vit；式中TW为脉冲宽度。由式中可以看出，当

−TW

→0，eRC→1, uo(t)≈Ui；而TW越大，则eRC

TW

VotTW<TW−RC

.

(b) 宽脉冲输入、输出波形

越小，uo(t)越小。

本次实验中，当R=10K，C=0.01μF时，

τ=10×10×0.01×10=1×10=0.1mS

3

−6

−4

附图1 RC电路的耦合和微分作用

而500Hz的方波信号脉宽为TW=0.5×1500S=1mS

TW>>τ，满足微分电路的要求，能够将方波变为尖脉冲。精确的脉宽可由公式计算得出。

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