555定時器地典型地的應(yīng)用

1、555定時器的典型應(yīng)用及OrCADT PSpice仿真時間：2009-12-05 01:00 來源：本站整理 作者：admin點擊：129次555定時器的典型應(yīng)用及OrCAITPSpice仿真滕政勝，黃銘（1 百色學(xué)院 科研處廣西百色；2云南大學(xué)信息學(xué)院云南 昆明） 引言555定時器是一種將模擬功能與數(shù)字（邏輯）功能緊密結(jié)合在一起的中小規(guī)模單 片集成電路。它功能多樣，應(yīng)用廣泛，只要外部配上幾個阻容元器件即可構(gòu)成單 穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路，是脈沖波形產(chǎn)生與變換的重要 元器件，廣泛應(yīng)用于信號的產(chǎn)生與變換、 控制與檢測、家用電器以及電子玩具等 領(lǐng)域。OrCATPSpice作為國際

2、上著名的電子設(shè)計自動化軟件之一，具有仿真速度快、 精度高等優(yōu)點，不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設(shè)計，與印制版設(shè)計軟件配合使用， 還可實現(xiàn)電子設(shè)計自動化，被公認是通用電路模擬程序中最優(yōu)秀的軟件之一。例如：基于該軟件，Essakhi等人提出了一種微波整流天線的時域模型；Du等人提出了一種從三維時域場分析提取 S參數(shù)的方法；Zhang等人仿真了 E類功率放大 器的特性，并進行了實驗證實；Sakuta等人分析了低相位噪聲振蕩器的特性， 并計算了有載Q值；Hayahara等人設(shè)計了-刀A/ D轉(zhuǎn)換器，并對其信噪比進行 了仿真；Brecl等人提出了一維、二維薄膜模型，并模擬了其接觸電阻。這些表 明，軟件OrC

3、A/PSpice是現(xiàn)代電子電路設(shè)計的有利工具。本文以O(shè)rCA/PSpice 10.5為工具，對555定時器構(gòu)成的三種典型電路進行仿 真分析，得出了一些有價值的結(jié)論。1555定時器組成框圖及工作機理555定時器的圖形符號及管腳圖如圖1所示，其中管腳1是公共端，管腳2為觸 發(fā)端，管腳3為輸出端，管腳4為復(fù)位端，管腳5是控制電壓輸入端，管腳6 為閾值端，管腳7是內(nèi)部三極管的放電端，管腳8是電源端。6VCC*-RE5ETOUTfUTCONTROLTHRESHOLDDCSCHARCjEQNDI1M5B圈1555定時戀的管霽即555定時器的內(nèi)部電路方框圖如圖2所示，該集成電路由四部分組成：電阻分壓 器、電

4、壓比較器、基本 RS觸發(fā)器、輸出緩沖器和放電三極管。比較器的參考電壓由三只5 k Q的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器 A1同相比較端和低電平比較器 A2的反相輸入端的參考電平為2Vcc/3和Vcc/ 3。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當輸入信號輸入并 超過2Vcc/3時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關(guān) 管導(dǎo)通；當輸入信號自2腳輸入并低于Vcc/3時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸 出高電平，同時充電，開關(guān)管截止。2 555那f略朋去無皿MMF是復(fù)位端，當其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接 Vcc。CO是控制電壓端（5腳），平時輸出

5、2Vcc/3作為比較器A1的參考電平，當5腳 外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現(xiàn)對輸出的另一種控制， 在不接外加電壓時，通常接一個0.01 yF的電容器到地，起濾波作用，以消除外 來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當T導(dǎo)通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器仿真分析單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器廣泛用于脈沖整形、 延時及定時電路中。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有一個穩(wěn)態(tài) 和一個暫穩(wěn)態(tài)，在無外來觸發(fā)脈沖作用時，電路保持穩(wěn)態(tài)不變，而當有外來觸發(fā) 脈沖作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，并輸出一個脈寬和幅值恒定的矩形脈沖， 輸出的脈沖寬度TW等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于

6、R2, C2, 則：Tv = R2Czln( Vcc - O/CVgg -A 1- 1R2CE運行OrCA/CaptureCIS，利用Schematics繪制的由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài) 觸發(fā)器電路見圖3,輸入信號Vi為脈沖電壓源（VPULSE）設(shè)置其參數(shù)如下：闿 SCHaUHC1：PAGElJ VIY1615!lU8 4&H!4(h!-0 Cm3:10ms vmJLSE值得注意的是，輸入信號VPULSE勺重復(fù)周期必須大于輸出的脈沖寬度 TV，輸入 信號VPULSE勺脈寬應(yīng)小于TV，才能保證每一個正倒置脈沖起作用。利用OrCADKPSpice 10.5的瞬態(tài)分析功能進行仿真，瞬態(tài)分析(Time

7、 DomainTransient)是指在給定輸入激勵信號的作用下，計算電路輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)，其實質(zhì)就是計算時域響應(yīng)。設(shè)置瞬態(tài)分析參數(shù)從零時刻開始記錄數(shù)據(jù)，到4ms結(jié)束，最大步長為0.1 ms。進行瞬態(tài)分析后，得到圖4所示的輸出電壓波形圖， 其中類似于鋸齒波的是電容 C2兩端的電壓，而方波則是555的輸出端Vout的電 壓波形。ahi ooo pfvcc丄I nFTOWERItESEl EJtmtrrCOBOLTHRF創(chuàng) KU?JSCHJtGE* cTQOI汀GD0 512! 926J.Jt rmmi學(xué)細&翳創(chuàng)g上加心由圖4可見，電容C2存在自動充放電過程。當觸發(fā)脈沖到達時，電源Vcc通過R2給

8、電容C2充電，從0 V充電到約3.33 V之前，555定時器的輸出始終保持高 電平，而一旦電容充電到3.33 V，555的輸出立即轉(zhuǎn)換為低電平，隨后電容 C2 開始從3.33 V迅速放電到0 V，此后又開始新的充放電過程。在 555的輸出端Vout可以獲得周期性的矩形脈沖，而脈沖的寬度約為1.09 ms，與理論計算值1.1R2C2相近。并且輸出脈沖的寬度與輸入信號 VPULSE勺脈寬和幅度無關(guān)。3施密特觸發(fā)器仿真分析用555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器將閥值端和觸發(fā)端接在一起作為輸入端。運行OrCADZCaptureCIS，利用Schematics繪制的555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電 路如圖5所

9、示。輸入信號Vi為三角波電壓源(VPWL)設(shè)置其參數(shù)為：ftBSr*0 12 00 12 0 伸嘆利用PSpice的瞬態(tài)分析功能進行仿真，設(shè)置瞬態(tài)分析參數(shù)從零時刻開始記錄數(shù) 據(jù)，到3 ms結(jié)束，最大步長為1卩s,得到555的輸出端Uout的電壓波形與輸 入電壓波形如圖6所示。X.J output0-=vccTHlGg ULStr DU CONTROL THKJ 田OLD DlSatAKUECM18 5 議翥特處龍國電鳥由圖6可見，該電路能將輸入三角波轉(zhuǎn)換成方波輸出，當輸入三角波電壓升高， 輸出電平發(fā)生轉(zhuǎn)換時所對應(yīng)的門限電壓約為 8 V,而當輸入三角波電壓降低，輸 出電平發(fā)生轉(zhuǎn)換時所對應(yīng)的門限電

10、壓約為 4 V，即上門限電壓與下門限電壓不同， 輸入與輸出間具有遲滯特性。將輸入信號換成正弦信號后，得到輸入/輸出電壓 的波形如圖7所示，依然表現(xiàn)出遲滯特性，且上門限電壓與下門限電壓仍分別為 8V和4V，而這正是施密特觸發(fā)器電路的工作特性。仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果 的上門限電壓(2 /3 Vcc)和下門限電壓(1 /3 Vcc)相符。4多諧振蕩器仿真分析多諧振蕩器是一種自激振蕩器，接通電源后不需要外加觸發(fā)信號便能自動產(chǎn)生矩形脈沖。運行 OrCAIXCapture CIS，利用Schematics繪制的由555疋時器構(gòu)成 的多諧振蕩器電路如圖8所示。“02VCCft:JTRTGGERRESET O

11、UTPUT COMuni Hihrtshold -DISCHARGEGNU電路由一個555B芯片、兩個電阻和兩個電谷組成，通過電阻給電谷C1充電、放 電的過程來產(chǎn)生振蕩，從而輸出矩形脈沖。啟動PSpice瞬態(tài)分析功能，觀察電容C1的端電壓和555的輸出端Vout的電壓，得到圖9所示的波形。由圖9中發(fā) 現(xiàn)555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的輸出電壓 Vout始終保持高電平，并沒有產(chǎn)生 預(yù)期的振蕩。4.10rCAD7PSpice中555多諧振蕩器不能起振的原因分析可知，PSpice中555多諧振蕩器不能起振的原因在于起振源。實際振蕩電 路之所以能自行起振是由于起振源的存在。實際振蕩電路的起振源主要由兩方

12、面 因素構(gòu)成：一是由振蕩電路晶體管內(nèi)部的噪聲和電路噪聲（電阻熱噪聲等）引起;二是由電路接通電源瞬間的沖擊電流引起。而直接利用PSpice對圖6電路進行模擬仿真時，PSpice會將電路中的555定時器、電阻、電容、電源等元件和電 路的接通過程都理想化，即電路中不能產(chǎn)生任何噪聲和干擾。因此，沒有起振源, 自然就不能產(chǎn)生振蕩。4.2有效起振方法經(jīng)查閱相關(guān)文獻10,并經(jīng)多次實驗驗證，發(fā)現(xiàn)有多種方法可以使電路起振，現(xiàn)介紹其中兩種最簡單的方法供大家參考：給電容加初始值(IC值)，本例中只將C1和C2的IC設(shè)為0。電容上的初始電 壓，只是激發(fā)了振蕩電路的振蕩，沒有改變電路起振后的輸出波形，也沒有影響 對振蕩

13、電路起振特性的研究。(2)在瞬態(tài)分析仿真設(shè)置(Simulstion Settings)中激活初始瞬態(tài)偏置點計算(Skip the In itial Tran sie nt Biaspoi nt Calculatio n)選項，直接使用各元件的起始條件來作瞬態(tài)分析。兩種方法都能順利使555多諧振蕩器發(fā)生起振，且持續(xù)地輸出脈沖波形。4.3仿真結(jié)果與理論計算值比較431計算指標理論值根據(jù)圖8多諧振薔器電齋計算指標理論值：充電時聞常數(shù)：九=+ RJCJn 2 AO. + RJ Ct0t 574 ms放充電時間常數(shù)：T葉=RSC|In 2 A 0, TRiCi = 0. 56 msT =+ 丁z 二 L

14、 134 ms占空比系數(shù)；4.3.2仿真值在OrCADT PSpice中，采用前面提出的模擬振蕩電路的起振方法得到555振蕩電路輸出端的矩形脈沖電壓波形，如圖10所示。10多諧按畑竜解渤由圖10可見，電源Vcc先通過R1, R2給C1充電，使電容C1從0 V充電到2Vcc /3,接著從2Vcc/3放電到Vcc/3,又再從Vcc/3充電到2Vcc/3,電容C1 形成周期性的充放電過程，從而在555的輸出端Vout形成周期性的矩形脈沖波， 構(gòu)成多諧振蕩器。由圖10所示，可得輸出矩形脈沖特性參數(shù)： 脈沖寛度：如=9 58 ms；豚沖周期,T=L1S msf 占空比荼數(shù) 仿真結(jié)果表明，輸出脈沖周期、占空比系數(shù)的仿真值與理論值基本相符。同時分 析可知，其值只與電阻、電容值有關(guān)，電容上的初