555定时器功能与应用特点

555定时器芯片是一种广泛应用的中规模集成电路，只要外围配以几个适当的阻容元件，就可以构成无稳态触发器、单稳态触发器以及双稳态触发器等应用电路，以此为基础可设计各种实用的电路形式。但555定时器内部结构相对复杂，功能难以记忆，导致其构成的3种基本应用电路比较难理解与区分。为此，就其各功能引腿进行归纳总结，得出一易于记忆的简化模型，同时对其构成的3种基本应用电路的本质特点与原理进行分析。

1 555定时器功能特点
1．1 简化的功能模型
     555芯片简化功能模型如图1所示，它包含了555的3个主要引腿：阀值TH(555的6腿)、触发 (2)、输出Q(3)，功能上可视为1个“非门”，但此“非门”有2个输入端：“1”信号只从TH端输入，否则认为TH端“无信号”。“0”信号只从 端输入，否则也认为 端“无信号”。故当TH端有信号“1”时，输出Vo为“0”。当 端有信号“0”时，输出Vo为“1”。当两输入端均“无信号”时，输出Vo不变。但两输入端不能同时有信号。可以这样理解：同时输入“0”与“1”，“非门”不知该输出哪端的“非”，实际上这时555内部的RS触发器处于非法状态，其输出 与Q均为“1”。
   
   
1．2 “1”、“0”对应的电平
     当5腿不用时(通过约0．01μF的电容接地)，引入6腿的电平必须≥2／3电源电压才被识别为有信号“1”，引入2腿的电平必须≤1／3电源电压才被识别为有信号“0”。当5腿引入电压UM时，U6≥UM为“1”，U2≤1／2UM为“0”。
1．3 放电7腿
     555构成的电路，经常要在外围配以RC充、放电回路，充电过程一般从电源经RC到地，放电回路则为RC通过7腿到地。当输出Vo为“0”时，7腿相当于接“地”，放电回路接通。当输出Vo为“1”时，7腿悬空，放电回路断开。
     另外，7腿在芯片内部是三极管开路的C极，故将其通过1个电阻上拉至电源的正极，则7腿可作为另一输出端，其输出的波形与3腿一样。
1．4 其余引腿
     555芯片共有8条引腿，另外3条中1腿为电源负(地)，8腿为电源的正，这和通常的芯片电源在对角线上不同；剩下的4腿为复位(R表示Reset复位，D表示直接)，当其为低电平时，555芯片输出为“0”，故该引腿一般直接接到电源的正极，否则可作为启动555电路工作的控制端。

2 555定时器应用特点
2．1 无稳态触发器
     无稳态触发器的特点：无外输入信号、外围有RC元件、且6、2端短接在一起。
     所谓无稳态触发器，也称为多谐振荡器，其输出必须能够在“0”、“1”之间来回跳变，形成矩形波，输出跳变的原因是因为RC回路反复的充、放电过程导致输入端不断变化。充、放电过程能自动切换反复进行的条件是：当输出为“1”，能启动充电回路工作使输入端电位不断抬高，高到逻辑“1”时，输出跳变为“0”；当输出为“0”，能启动放电回路工作使输入端电位不断降低，低到逻辑“0”时，输出跳变为“1”，555电路充、放电过程的切换可以通过放电7腿进行，也可以通过输出3腿进行，还可以同时通过二极管隔离。
     不同形式的多谐振荡器区别在于RC充、放电回路构成的不同。
       图2是最常用形式的多谐振荡器，充、放电过程通过7腿切换，当输出为“1”，7腿悬空，启动Ucc-R1-R2-C-地的充电回路，充电的过程使6、2端电位不断提高，高到2／3Ucc时，输出跳为“0”。当输出为“0”时，7腿对地短接，形成C-R2-7-地的放电回路，放电的过程使6、2端电位不断降低，低到1／3Ucc时，输出跳为“1”，充、放电过程不断反复进行。该电路由电源对RC充电，由7腿到地对RC放电，而7腿的悬空与对地短接恰好可以切换充、放电过程。
   
   
     充、放电回路可以通过二极管隔离，形成占空比易调的多谐振荡器，如图3所示，充电回路为：Ucc-R1-二极管-C-地，放电回路为C-R2-7-地。
   
       图4由输出3腿切换充、放电过程，输出为“1”，启动输出-R-C-地的充电回路。输出为“0”，形成C-R-输出-地的放电回路。
   
   
     图5将输出3腿与放电7腿同时连入RC电路，故输出为“1”时，启动充电回路：输出-R1-C-地。输出为“0”时，放电则通过3腿与7腿同时进行，因为它们都对地短接，即放电回路为：C-R1／／R2-3腿(7腿)-地。若在R1支路上串入1个二极管，且P极在上则放电回路只通过7腿进行。
   
   
     其他形式的多谐振荡器关键也是分析出充电与放电回路如何构成，并且必须满足以下逻辑：输出为“1”时，RC回路一定使输入6、2端电位抬高；反之，输出为“0”时，使6、2端电位降低。
2．2 单稳态触发器
     单稳态触发器的特点：有一外输入信号、外围有RC元件、6、2端分开且分别与它们相连。
     所谓单稳态触发器，输出的“0”、“1”中只有一种状态是稳定的，外输入信号作为触发信号，当其有效时，输出进入暂态，此时的输出为暂态的根本原因在于：进入该状态一定会启动RC电路充、放电过程，这两个过程首先进行的一定使输出回到稳态，接着自动切换到另一过程使输入回到稳态时对应的状态：“无信号”，但输出不变。
     图6为一典型负脉冲触发、“0”态为稳态的单稳态触发器，7腿切换充、放电过程。当外输入信号有效(从2端引入，故有效的信号指≤1／3Ucc：)，输出跳变为“1”，该态为暂态，因为输出为“1”，则7腿悬空，启动Ucc-R-C-地的充电过程，该过程使6端电压不断抬高，到达2／3Ucc后，输出自动回到“0”稳态，同时C通过7腿快速放电，使6端电位降低回到稳态对应的状态。“无信号”，此时2、6均处于“无信号”状态，根据555芯片的功能输出不变。
   
   
     图7也是“0”态为稳态的单稳态触发器，只是其RC充、放电由3腿切换。当2腿输入的负脉冲触发使电路进入“1”暂态时，启动RC充电使输出回到“0”稳态，然后RC通过3腿放电使输入6腿回到“无信号”状态，但与图6相比，使输入恢复“无信号”的时间较长，在此前2腿不能重新触发。若将一二极管与电阻R并联，且P极在下，可快速使输入回到“无信号”状态。
   
   
     图8外输入信号由6腿引入，RC电路连在2腿，构成正脉冲触发，“1”态为稳态的单稳态触发器。与图7一样由3腿切换充、放电过程，只是RC放电的过程使输出回到稳态，充电的过程使输入2腿回到“无信号”。与电阻R并联-P极在上的二极管，同样可快速使输入回到稳态。
   
   
     单稳态触发器的触发信号ui常经一微分电路后再输入555芯片，这样可以减小输入脉冲的宽度。
     图9中外围无外输入信号、有RC元件、且6、2端短接在一起，但它不是多谐振荡器，原因在于它外围的RC元件只能形成充电回路：Ucc-R-C-地，但3腿与7腿均未连入RC电路，不能形成放电回路。该电路实际上是上电触发的延时电路，属于单稳态触发器的一种，电路加电瞬间，电容两端电压不能跳变，6、2端为低电平，输出为“1”，该态为暂态，随着电源对RC的充电，输出会回到“0”稳态。图9电路不能重触发，若在电容两端并联一不锁定的开关，便可通过开关重触发。
   
   
     将图9的R与C互换，则电路中的暂态为“0”，稳态为“1”。
2．3 双稳态触发器
     双稳态触发器的特点：外围没有RC元件。若6、2短接，并引入外输入信号为施密特触发器。若6、2分开并同时有输入信号，则为双限比较器；若6、2分开，若只有一端输入信号则为单端比较器。

3 结束语
     555定时器在工业自动控制、定时、仿声、防盗报警等方面有着广泛的应用，但其本质电路结构离不开上述3种形式，依据所研究的555定时器功能与应用特点可以快速设计与分析555组成的各种应用电路。