第三章集成定时电路

第三章集成定时电路第一节集成定时器555/556工作原理第二节集成定时器555/556的基本工作方式第三节集成定时器555/556的应用集成定时电路又称为集成时基电路，它是一种将模拟电路和数字电路制作在同一硅片上的模拟集成电路。应用：取代传统的机械式延时器件，应用在微计算机、电子定时器、电子控制、电子检测、电子报警、电子乐器、信号产生及调制等方面。分类：分为定时器和定时器/计数器两大类。

定时器以单定时“555”电路、双定时“556”电路(内含两个独立的“555”电路)、四定时“558/559”电路(内含四个独立的“555”电路)为主；

定时器/计数器以可编程定时电路为主。

概述一、脉冲信号

脉冲是脉动和短促的意思，凡是具有不连续波形的信号均可称为脉冲信号。广义讲，各种非正弦信号都是脉冲信号。(a)矩形波(b)方波(c)尖脉冲(d)锯齿波

概述

在数字系统中常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿的矩形脉冲信号，如触发器的时钟脉冲（CP）。获取这些脉冲信号的方法通常有两种：①脉冲产生电路直接产生；②利用已有的周期信号整形、变换得到。脉冲整形、变换电路——单稳态触发器施密特触发器；脉冲产生电路——多谐振荡器；多用途的定时电路——555定时器。

概述二、脉冲信号的参数trtftWT0.9Um0.5Um0.1UmUm矩形脉冲信号的主要参数脉冲幅度脉冲周期脉冲宽度上升时间下降时间占空比D－－脉冲宽度与脉冲周期的比值，D＝tW/T。概述三、脉冲产生电路的暂态分析脉冲波形产生与整形电路多是由RC充放电电路构成的。①开关闭合的一瞬间，电容器上电压不能突变，满足开关定理UC(0+)=UC(0-)。②充电暂态过程结束后，流过电容器的电流iC(∞)为0，即电容器相当于开路。tMU(t)UTtU(∞)0U(0+)CCCUC(t)SUCR④令uC(tW)=UT，则从暂态过程的起始值UC(0+)变到UT所经历的时间tW（脉冲宽度）可用下式计算：③电路的时间常数τ=RC，τ决定了暂态时间的长短。根据三要素公式，可以得到电压随时间变化的方程为概述tWU(t)UTtU(∞)0U(0+)CCC第一节集成定时器555/556工作原理555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。555定时器产品型号繁多，但所有双极型产品型号最后的3位数码都是555，所有CMOS产品型号最后的4位数码都是7555。它们的功能和外部引脚的排列完全相同。(一)555定时器的电路结构一、双极型555定时器TR＋－C1UR15k5k＋－C25kUR2&&&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu12348765地2oRDUCC放电端6UCO555uuu高电平触发端电压控制端低电平触发端放电端接地端复位端电源端输出端555由比较器C1和C2、基本RS触发器和集电极开路的放电三极管T三部分组成。vO5kΩ5kΩ5kΩTDG2Q'Q84356271+-C1+-C2vI1THvI2TR'vODDISCVCOG1G3G4VCC

R'D

vC2vC1VR2VR11555定时器TR＋－C1UR15k5k＋－C25kUR2&&&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu1.分压器电压控制端①5脚悬空时，，；②5脚外接控制电压UCO时，。注：当5脚不加控制电压时，通常经过一个0.01µF的电容接地，以抑制干扰。1555定时器TR＋－C1UR15k5k＋－C25kUR2&&&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu2.电压比较器U+≥U-时，Ci＝1；U+＜U-时，Ci＝0。

阈值输入端触发输入端3.基本RS触发器RSQn+100不定01010111Qn异步清零端该端为低电平时，电路优先复位，输出端3脚为低电平。补充：

触发器能够存储一位二进制信息的基本单元电路。

触发器特点1.具有两个稳定状态，分别表示逻辑0和逻辑1。2.在输入信号作用下，可从一种状态翻转到另一种状态；在输入信号取消后，能保持状态不变。

触发器分类按触发方式分：电位触发方式、主从触发方式及边沿触发方式。按逻辑功能分：RS触发器、D触发器、JK触发器和T触发器。RD、SD为1输出不变基本RS触发器1111与非门构成的基本RS触发器2.组成结构1.逻辑符号输出：Q，输入：RD，SD

RD=1，SD=1：Q=0，Q=1

RD=1，SD=1：Q=1，Q=0&G1QRD&G2QSDQQRDSDRS&G1QRD&G2QSD两个稳定状态：0110RD

SD

QQ

0 1 01 1 0 10 0 0不定（X）

1 1不变

&G1QRD&G2QSD4.特征表10113.工作原理1000RD、SD同时变为1时，输出不稳定。

RD=0，SD=1：Q=1，Q=0置0

RD=1，SD=0：Q=0，Q=1置1

RD=0，SD=0：Q=1，Q=1，且不稳定

RD=1，SD=1：Q，Q保持不变0101&G1QRD&G2QSD&G1QRD&G2QSDQ：触发器原端或1端。

RD：置0或复位端（低电平有效，逻辑符号上用圆圈表示。）SD：置1或置位端（低电平有效）Q

：触发器非端或0端通常将Q端状态作为触发器的输出状态。

RD

SD

QQ

0 1 01 1 0 10 0 0不定（X）

1 1不变

4.特征表QQRDSDRS1555定时器TR＋－C1UR15k5k＋－C25kUR2&&&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu4.放电三极管VT是一个集电极开路的放电三极管。当uO＝0时，VT导通；当uO＝1时，VT截止。

二、555定时器的功能1555定时器TR＋－C1UR15k5k＋－C25kUR2&&&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu5脚不外接控制电压。

定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RS触发器和放电管VT状态的控制。1555定时器不变不变1导通01截止11导通0××0VTuOu2u6输出输入555定时器功能表5脚不接控制电压，则，。TR＋－C1UR15k5k＋－C25kUR2&&&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu从555定时器的功能表可以看出几个特点：1.有两个阈值电平，分别是电源电压的1/3和2/3；2.输出从低到高，从高到低有回差；3.输出端和放电端的状态一致，要通都通，要断都断；4.输出与两触发端是反相关系。二、CMOS型556定时器优点:输入阻抗高、电源电压范围宽、集成度高、功耗低、适于长延时等优点。缺点：驱动能力较差包含两个相同的互相独立的定时单元，1-6脚和8-13脚分别为两个定时单元的引出脚。其具体原理电路和工作原理见教材P92.ICM7556的主要参数见教材P93第二节集成定时器的基本工作方式单稳态工作方式双稳态工作方式无稳态工作方式双稳态触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的区别：

双稳单稳多谐

触发信号输出555定时器构成单稳态触发器555定时器构成的单稳态电路如图所示。

初始状态下，没有触发，ui是高电平，所以输出是低电平。

当ui加上触发低电平时，输出将跳变到高电平，放电管关断。

放电管关断，电源将经过R向

C充电，uC按指数规律上升。

此时，ui已经撤消，变为高电平，所以当uC充电到上限阈值电平（VCC2/3）时，输出将跳变为低电平。完成一次单稳过程。

图14.3.2单稳态触发器电路图

⑤CV⑥TH②TL④R③OUT⑦DIS

直流LLL通悬空＞2VCC/3＞VCC/3HLL通交流＜2VCC/3＞VCC/3HLH通断接地＜2VCC/3＜VCC/3HHH断一、

单稳态触发器

单稳态触发器暂稳态时间的计算：

根据uC的波形，由过渡过程公式即可计算出暂稳态时间tw

，tw电容C从0V充电到2VCC/3的时间，根据三要素方程：

注意:触发输入信号的逻辑电平，在无触发时是高电平，必须大于2VCC/3,低电平必须小于1VCC/3，否则触发无效。

为此需要确定三要素：

uC(0)=0V、uC(∞)=VCC、=RC，当t=tw时，uC(tw)=2VCC/3代入公式。于是可解出

这里要注意R的取值不能太小，若R太小，当放电管导通时，灌入放电管的电流太大，会损坏放电管。图是555定时器单稳态触发器的示波器波形图，从图中可以看出触发脉冲的低电平和高电平的位置，波形图右侧的一个小箭头为0电位。

图14.3.3555定时器单稳态触发器的示波器波形图0电位0电位单稳态工作方式的一些说明：由外界触发自动返回稳定状态稳定状态暂稳态恢复期工作特性：①它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；②在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，电路能自动返回稳态；③暂稳态不能长久保持，其维持时间的长短取决于电路自身参数，与外界触发脉冲无关。③恢复期：

VT导通，电容C迅速放电，直到使uC≈0，电路又恢复到稳态。②暂稳态：u2触发脉冲下降沿到达时（），电路进入暂稳态，uO＝1。当时，uO＝0，暂稳态结束。几个状态：①稳态：无触发信号时，uI为高电平。电容先充电后放电，当uC＝0时，电路进入稳态：uO＝0。U0=1时，放电管VT截止的，Vcc经由R对C充电，Uc上升，但阈值比较为2Vcc/3TuI13UCC0uo0tWTWuC023UCCtttUCC48762315uCCuouIRUCC0.01μF555波形图1.电路对输入触发脉冲的宽度有一定要求，它必须小于tW。若输入触发脉冲宽度大于tW时，应在u2输入端加入微分电路。说明：2.输出脉冲宽度tW

上式说明：单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定时元件R、C的取值，且成正比关系，而与输入触发信号和电源电压无关，因此调节R、C的大小，即可方便地改变tW。矩形脉冲的周期与输入的触发信号周期相同。二、单稳态触发器的应用1.脉冲整形IutWOu

单稳态触发器能够把输入的不规则脉冲信号uI，整形为具有一定幅度和一定宽度的标准矩形脉冲uO。uO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于定时元件R和C。单稳态触发器的整形波形2.脉冲延时

脉冲延时电路一般要用两个单稳态触发器完成。延时时间为tW1，它决定于第一级单稳态触发器的定时元件R和C。11uIu0（tW1）(tW2）3.定时

由于单稳触发器可产生宽度为tW的矩形脉冲，利用这个矩形脉冲去控制某电路使它在tW的时间内动作或不动作，这就是单稳态触发器的定时作用。定时时间为tW，可通过调节定时元件R和C来调节定时时间。1&uIOuuO单稳与门uFtWuIuOuFOu单稳态触发器的定时波形二、双稳态工作方式工作特性：①具有两个稳态；②属于电平触发，缓慢变化的信号也可以作为输入信号，当输入信号达到某一特定值时，输出电平就发生突变；③输入信号从低电平上升时，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降时对应的输入转换电平不同。uo0U－U+uI电压传输特性①输入信号上升时对应的转换电平U+，称为正向阈值电压；②输入信号下降时对应的转换电平U－，称为负向阈值电压；③差值ΔU＝U+－U-，称为回差电压。反向输出施密特触发器一、555定时器构成的施密特触发器1.电路结构和逻辑符号846210.01µF3UCCuIuo5555RSQ00110101不变110综之：①当5脚不接控制电压时，②当5脚接控制电压UCO时，比较电压变为UCO和（1/2）UCO，

uot00uI13UCC23UCCtU-­U+uOHuOL2.工作原理(1)上升过程：①时，uO＝1；②时，uO保持不变；③时，输出翻转uO＝0。(2)下降过程：①时，uO＝0；②时，uO保持不变；③时，输出翻转uO＝1。5脚经过0.01µF电容接地，则，。二、应用1.波形变换可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换成边沿陡峭的矩形脉冲信号。2.波形整形可以将不规则的波形整形为矩形波。若适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。回差电压是由5脚接入的控制电压UCO来控制的。uot0uot0uIt0U+U－U－'(a)(b)(c)

从一系列幅度不同的脉冲信号中选出幅度大于正向阈值电压U+的输入脉冲，即对幅度进行鉴别。3.幅度鉴别uIU+U-t0uo0t同向输出施密特触发器4.构成多谐振荡器工作原理：电容上初始电压为零，即uI＝0，则uO＝1，并经R向C充电，当充至uI＝U+时，输出翻转uO＝0。电容C又经R进行放电，当放电至uI＝U-时，输出翻转uO＝1。三、无稳态工作方式——自由多谐振荡器多谐振荡器是一种常用的脉冲信号产生电路。工作特性：①无稳态，具有两个暂稳态；②自激振荡器－－在接通电源后，不需外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲；③矩形波中除基波外，还含有丰富的高次谐波－－故称为多谐振荡器。自动触发自动返回暂稳态0暂稳态1暂稳态0555定时器构成的多谐振荡器1.电路结构48762315CUCCR1R2555uo0.01µFuCuC13UCCuo0T123UCCttUCCT202.工作原理

接通电源后，电容C来不及充电，uc＝0，则uO＝1(第一个暂稳态)，VT截止。这时Ucc经R1和R2向C充电，当充至uc＝2/3Ucc时，输出翻转uO＝0(第二个暂稳态)，VT导通；这时电容C经R2和VT放电，当降至uc＝1/3Ucc时，输出翻转uO＝1。3.参数的估算①电容充电时间T1：②电容放电时间T2：③电路振荡周期T：uC13UCCuo0T123UCCttUCCT20T④电路振荡频率f：通过改变R、C的参数可改变振荡周期和振荡频率。⑤输出波形占空比D：若R2>>R1，则D≈1/2，即输出为对称方波。（D≥50％）4.改进电路－－占空比可调的多谐振荡器

利用二极管的单向导电性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个可调电位器RW，便可构成占空比可调的多谐振荡器。①电容充电时间T1：

T1＝0.7R1C②电容放电时间T2：

T2＝0.7R2C④输出波形占空比D：③电路振荡周期T：

T＝T1+T2＝0.7(R1+R2)C若R1=R2，则D=50%。847623UCCR1R2555RWuo0.01µFCVD2VD1515.555定时器构成的振荡器应用实例－－模拟声响发生器

将振荡器A的输出电压uo1，接到振荡器B中555定时器的复位端（4脚）。当uo1为高电平时振荡器B振荡，当uo1为低电平时555定时器复位，振荡器B停止振荡。这样，扬声器便发出“呜…呜”的间歇声响。84762351555A0.01µFCR1AR2A847623155550.01µFCR1BR2BRduo18Ωuo25µFUCCuo1uo2(a)(b)B

当频率为谐振频率f0时，石英晶体的等效阻抗最小，信号最容易通过，而其它频率信号均被衰减掉。－－晶体的选频特性极好。

为了提高振荡器的频率稳定度，往往使用石英晶体多谐振荡器。二、石英晶体多谐振荡器555构成的多谐振荡器的特点：①优点：工作可靠，调节方便。②缺点：振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫；受电源波动、温度变化等影响，频率稳定性较差。f0只与晶体的材料、几何形状和尺寸大小有关，而与电路中的R、C数值无关。－－输出频率稳态性很高。X0f0f石英晶体的图形符号和电抗频率特性石英晶体的固有频率或谐振频率石英晶体振荡器①电阻R1、R2的作用：保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对TTL反相器，常取R＝0.7kΩ～2kΩ，而对于CMOS门，则常取R＝10MΩ；②C1是耦合电容；③C2的作用：抑制高次谐波。电路的振荡频率等于石英晶体的谐振频率f0。11RRC1f0G1G2C2秒脉冲发生器①CMOS石英晶体多谐振荡器产生f=32768Hz的基准信号；②经T′触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒脉冲信号。③这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源。第三节集成定时器555/556的应用一、定时电路工作方式：单稳态方式(一)短时定时电路利用集成定时器的暂稳态作为定时时间(输出为高电平)。阈值电压，触发电平。电路工作过程如下：曝光定时器48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS若S打开,则ui=1

;若S合上,则ui=0。0t0t0tuiuCTuo2VCC/3TWTH>2VCC/3,TR>VCC/3

555输出为低电平

按钮S处于打开状态时：uo=0,555内的三极管V导通,

电容CT被短路放电0tui0tuCT2VCC/30tuo48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS0tui0tuCT2VCC/30tuo按一下S,TR<VCC/3

,已有TH<2VCC/3,故uo=1,555内的三极管V截止,CT将被充电,……

只要uCT尚未充至2VCC/3,uo的状态就不会变化。48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS

一旦uCT>2VCC/3,

且已

有

TR>VCC/3,uo=0;555内的晶体管V也由截止变成导通,电容CT迅速放电而变成0V。0tui0tuCT2VCC/30tuo48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS可以看出:按钮每按动一次,uo便输出一个正脉冲,其宽度TW由RTCT决定。0tui0tuCT2VCC/30tuo48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS按一下按钮

S未按uo0J的线圈不通电J的触点不动作红灯白灯亮灭1通电闭合亮灭白灯亮的时间即为曝光时间TWTW=1.1RTCT48162357uouiVCCRRTCTDTHTRSuoJJ~红白D1D2由上式看出，RT用于调节CT充电时间常数，改变延时时间，即微调曝光时间。改变CT的大小，可以改变延时时间的倍率，即曝光时间的倍率调整。其中Ｍ为触摸金属片（或导线）。无触发脉冲输入时，555的输出Vｏ为“０”，发光二极管Ｄ不亮。当用手触摸金属片Ｍ时，相当于②端输入一负脉冲，555的内部比较器Ａ２翻转，使输出Vｏ变为高电平“１”，发光二极管亮，直至电容Ｃ上的电压充到VＣ＝2VＣＣ/３为止。发光二极管亮的时间TW＝1.1ＲＣ＝1.1s。用于触摸报警、触摸报时、触摸控制等。电路输出信号的高低电平与数字逻辑电平兼容。图中，Ｃ１为高频滤波电容，以保持２ＶＣＣ／３的基准电压稳定，一般取０．０１μＦ。Ｃ２用来滤除电源电流跳变引入的高频干扰，一般取０．０１μＦ～０．１μＦ设输入信号ｖｉ为一列脉冲串，第一个负脉冲触发２端后，输出ｖｏ变为高电平，电容Ｃ开始充电，如果，由于ｖＣ未达到２ＶＣＣ／３，ｖｏ将一直保持为高电平，Ｔ截止。这段时间内，输入负脉冲不起作用。当ｖＣ达到２ＶＣＣ／３时，输出ｖｏ很快变为低电平，下一个负脉冲来到，输出又上跳为高电平，电容Ｃ又开始充电，如此周而复始。输出脉冲的延迟时间为：输出脉冲的周期为分频系数Ｎ主要由延迟时间ｔｐ决定，由于ＲＣ时间常数可以取得很大，故可获得很大的分频系数。S1:起动按钮S2:停车按钮微电机起动停车控制电路4816235S2S1RRCVCCTHTRuoM微电机555RD

仅按下起动按钮S1,则TR<VCC/3;未按S2,

当然TH<2VCC/3,故uo

=1,电机转动。

即使放开S1,TR>VCC/3,TH<2VCC/3,uo保持为1,电机继续转动。

如果仅按下按钮S2,TH>2VCC/3,未按S1,当然TR>VCC/3,这时uo=0,电机停止运行。

如果松开S2,电机仍不转动。4816235S2S1RRCVCCTHTRM微电机555uoTHTR大于大于小于小于小于大于保持uo01VCC/32VCC/3VCC/32VCC/32VCC/3VCC/3阈值端触发端二、波形发生器与调制器工作方式：无稳态方式(多谐振荡)功能：组成方波、三角波、锯齿波等各种波形发生器。(一)方波发生器占空系数可调发生器(二)数控脉冲发生器又称为数字/频率转换器(DFC),具有用数字信号控制振荡器的振荡频率，将数字信号转换成频率信号的功能。如左图所示，由555,10位D/A转换器5G7520、5G28(F3410)构成。在该电路中，定时器的阈值电压为Vth1=-Vcc/3,触发电平Vth2=-2Vcc/3。5G7520将输入的N位数字信号D转换成数值大小与D成正比的输出电流io2，并经运放A和三极管T对定时电容CT充电，当电容电压升至阈值电压时，定时器输出低电平，CT放电，当电容电压降至触发电平时，定时器输出高电平，CT充电，周而复始形成振荡。CT的充电速率和5G7520的输出电流的大小成正比。而该输出电流的大小又与输入的数字量D成正比，因此振荡频率受到数字信号控制，实现D/F转换。(二)数控脉冲发生器在该电路中，Rw调节D/A转换器的基准电压VR，以调整振荡频率范围，增大Rw的值，VR降低，5G7520输出电流io2满量程值减小，振荡频率降低，反之频率升高。运放A和三极管T作用：

1.提供CT充电电流

2.使5G7520D/A转换器的输出端2引脚维持低电平。(三)三角波发生器由ICM7556构成。如左图，T1、D1、R1、Dz1以及T2、D2、R2、Dz2构成两个开关电源，为定时电容CT提供充放电电流。T3受定时器输出端电压控制，它用于控制两个开关电源的工作状态。工作过程：当定时器输出为高电平时，T3导通，其集电极电压近似为零，所以T2(NPN)截止，T1(PNP)导通,CT充电，电压上升，当CT电压升至大于、等于阈值电平的时候，输出电平降为低电平。T3截止，其集电极电压为高电平，T1截止，T2导通，CT放电，电压下降，当电容电压降至小于、等于触发电平时，定时器输出又变为高电平，CT再充电，循环往复，在输出端便可获得如图所示信号。(四)锯齿波发生器由NE555构成。如左图，NE555工作在无稳态方式，阈值电平约为3.3V，触发电平约为1.67V。T为射极输出器，C2和R1构成自举电路，(R1+R2)>>R3、R5。工作过程：555置位时，+VCC通过R1、R2、R3对CT充电，B点电压和射极输出器输出电压Vo随之上升，同时因为自举耦合电容C2的影响，A点电压也随CT的充电而上升，当Vct上升到阈值电平大小时，NE555变为复位状态，CT经R3及555内部的三极管迅速放电，输出端得到如图所示锯齿波。(五)脉冲调制器1.脉宽调制器当5端悬空时，阈值电平Vth1=2Vcc/3,触发电平Vth2=Vcc/3；当5端加入控制电压时（调制信号），使得阈值电平Vth1和触发电平Vth2发生改变，即改变定时电容CT充放电的速率。由于充电速率变，即只改变放电速率，Vth1随调制信号改变，使得输出正脉冲宽度随之改变（555复位时间随之改变）(五)脉冲调制器2.脉位调制器当5端加入控制电压时（调制信号），使得阈值电平Vth1和触发电平Vth2发生改变，即改变定时电容CT充放电的速率随之改变，最终使得555输出端3的输出正向脉冲的位置和宽度均发生改变，实现双重调制。1．救护车铃声