555定时器电路的等效分析与Pspice仿真
第 20 卷第 4 期
Vol. 20 ,No. 4
滨州师专学报
Journal of Binzhou Teachers College
2004 年 12 月
Dec. ,2004
文章编号 :1008 - 2980 (2004) 04 - 0067 - 05
555 定时器电路的等效分析
与 Pspice 仿真 3
李卫兵
(滨州学院 物理系 ,山东 滨州 256603)
摘 要 :给出描述 555 定时器功能的简化等效电路及其管脚功能的简洁记
忆法 ,通过 Pspice 仿真与理论分析对照 ,从两个角度给出 555 定时器电路分
析的方法 ,阐明了仿真软件在电路分析与设计中的意义.
关键词 :555 定时器;等效电路; Pspice 仿真;多谐振荡器;单稳态触发器
中图分类号 : TN 79 + 1 文献标识码 :A
0 引 言
555 定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路 ,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等功能电路 ,因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测. 要想
灵活应用该集成电路 ,需要掌握其工作原理 ,该电路由 4 部分组成 ,涉及模拟电路的电压比较和三极管 ,数
字电路的门电路组成的基本 RS 触发器 ,原理分析比较复杂. 对于集成电路 ,更关心的是它的外部特性 ,本
文利用等效电路法分析其工作原理 ,简单易于理解 ,并通过著名的电路仿真软件 Pspice 分析其应用电路 ,
给出 555 定时器应用电路的简洁直观分析方法.
1 555 定时器的等效电路
1. 1 555 定时器原理电路
555 定时器原理电路如图 1 所示 ,由 4 部分组成 :电阻分压器、电压比较器、基本 RS 触发器、输出缓冲
器和放电三极管. 该集成电路共有 8 个引出端分别为 :1 脚 :接地端 , 符号 GND;2 脚 :触发输入端 , 符号 :
TR ,信号 :v12 ;3 脚 :输出端 ,信号 : v0 ;4 脚 :复位端 ,符号 : RD ;5 脚 :阈值电压控制端 ,符号 :CO ,信号 :V CO ;6
脚 :阈值输入端 ,符号 : TH ,信号 :v Ⅰ1 ;7 脚 :放电端 ,符号 :DISC ,信号 :v0′;8 脚 :电源端 ,信号 :V CC .
分析可得该集成电路的功能如表 1.
1. 2 555 定时器功能等效分析与等效电路
由功能表可以看出 : (1) 该集成电路的功能分析可类比于触发器的功能分析 ,阈值输入端 TH 类比于
RS触发器的置 0 输入端 R 为高电平有效 ,其高低电平的标准为 ( 2
3 V CC ) ;触发器输入端 TR 类比于 RS触发
器的置 1 输入端 S 为低电平有效 ,其高低电平的标准为( 1
3 V CC ) . (2) 复位端 RD 类比于触发器的异步复位
3 收稿日期 :2004 - 09 - 10
作者简介 :李卫兵 (1971 - ) ,男 ,山东邹平人 ,讲师 ,硕士 ,主要从事电磁兼容、电子电路 EDA 技术研究.
? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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端 ,优先权最高 ,低电平有效. 若该端为低电平 ,则定时器输出低电平 ,放电三极管饱和. (3) 放电三极管状
态与输出状态的关系 :输出为低电平 , TD 饱和导通 ,放电端相当于接地;输出为高电平 , TD 截止 ,放电端相
当于开路. 在某些定时器的应用电路中 ,该端的状态对电路功能的分析至关重要.
表 1 555 定时器功能表
RD v Ⅰ1 ( TH) v Ⅰ2 ( TR) v0 (输出) TD
0 × × 0 导通
1 大于(2/ 3) V CC 大于 (1/ 3) V CC 0 导通
1 小于(2/ 3) V CC 小于 (1/ 3) V CC 1 截止
1 小于(2/ 3) V CC 大于 (1/ 3) V CC 保持 保持
图 1 555 定时器内部结构框内
由以上分析 ,555 定时器可以用如图
2 所示等效电路表示 , 基本功能可以用
RS 触发器功能分析方法分析. 若阈值输
入端 TH (置 0 输入端) 输入高电平 (大于
2
3 V CC , 有效) 则定时器输出低电平 (复
位) ,若触发输入端 TR (置 1 输入端) 输
入低电平 (小于 1
3 V CC ,有效) 则定时器输
出高电平 (置 1) . 利用以上等效电路与等
效分析 ,555 定时器功能分析与应用更加
简单与容易.
555 定时器功能掌握还要与引出端功能相配合 ,引脚是抽象的数字不易记忆 ,但其引脚只有 8 条 ,再结
合数字的谐音可以方便地记住引脚所对应的功能端. 其中 1 脚(最小数字) 是接地端 ,8 脚(最大数字) 是电
图 2 555 定时器等效电路
源端 ,这是中小规模集成电路常采用的封装方式. 4 脚是复位端 ,
4 的谐音是“死”,易于记住使电路复位清零功能. 3 脚是输出端 ,
3 与“散”谐音 ,“散”即向外的意思 ,易于记住输出. 5 脚是阈值电
压控制端 ,5 的谐音对应“我”,“我”有主动性可以进行一系列控
制 ,易于记住 5 脚为阈值电压控制端. 还有 3 个管脚 ,则其功能可
以死记住. 很多 555 定时器应用电路都是给出引脚的连线图 ,所
以对于这个通用集成电路记住其引脚功能是有必要的.
2 555 定时器应用电路分析与 Pspice 仿真
2. 1 555 定时器构成的多谐振荡器
2. 1. 1 Pspice 仿真与定性分析
555 定时器构成的多谐振荡器电路如图 3 所示 ,其功能分析的重点是 R1 、R3 与 C1 构成的定时电路以
及定时器内部放电三极管的状态转换. 一般教材中 ,工作原理波形分析不全面[1 ,2 ] , 下面结合 Pspice 仿真
波形全面分析其工作原理.
调用 Pspice 程序中的瞬态特性分析功能( Transient Analysis) 进行分析[3 ] ,以定时电容电压 V C1 和输
出电压 V O 为分析对象. 根据多谐振荡器周期公式 T = 0. 69 ( R1 + 2 R3 ) C1 ,计算周期为 41. 4μs. 设定仿真
时间三个半周期左右为 0. 14 ms ,启动 Pspice 程序的瞬态特性分析得仿真波形如图 4.
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图 3 多谐振荡器电路
电源电压 V CC = 10 V , 可知定时器阈
值输入端阈值电压为 2
3 V CC ,触发输入端阈
值电压为 1
3 V CC .
(1) 设电容初始状态为 V C1 = 0 V (对
应图 4 ①位置) ,则在接通电源瞬时即 t = 0
s 时刻 ,定时器 T H = 0 , TR = 0 ,触发输入
端有有效信号 , 定时器输出 V o 为高电平
(对应图 4 ②位置) .
(2) 输出为高电平 , 放电三极管截止 ,
则 7 端断开 ,2 端触发输入端、6 端阈值输入
端对应集成运放输入端 ,几乎不取电流 ,也
相当于断开 ,则电源 V 1 会通过 R1 、R3 对电容 C1 充电 ,电容 C1 两端电压 V C1 上升 (对应图 4 ③位置) . 只要
V C1 < 2
3 V CC 则始终有 T H = 0 ,输出为高电平.
图 4 多谐振荡器仿真波形
(3) 当电容电压上升到 V C1 = 2
3 V CC
时(对应图 4 ④位置) , T H = 1 , TR = 1 ,
定时器输出为低电平 ( 对应图 4 ⑤ 位
置) .
(4) 输出变为低电平 , 定时器内放
电三极管 TD 饱和导通 , R3 上端电位几乎
为零 ,电容 C1 通过 R3 、定时器内部放电
三极管放电 ,电容两端电压下降 (对应图
4 ⑥位置) . 此时 , T H = 0 , TR = 1 ,输出
低电平不变.
(5) 当电容电压下降到 V C1 = 1
3 V CC
时(对应图 4 ⑦位置) , T H = 0 , TR = 0 ,
定时器输出为高电平 (对应图 4 ⑧位置) .
(6) 输出为高电平 ,放电三极管截止 ,则 7 端断开 ,2 端触发输入端、6 端阈值输入端对应集成运放输入
端 ,几乎不取电流 ,也相当于断开 ,则电源 V 1 会通过 R1 、R3 对电容 C1 充电 ,电容 C1 两端电压 V C1 在 1
3 V CC
的基础上上升(对应图 4 ⑨位置) . 之后 ,电路的工作过程重复波形 ③到 ⑨.
2. 1. 2 Pspice 仿真与定量计算
由 Pspice 仿真波形图 4 ,可得电容电压第一、第二个峰值处时刻以及电压值分别为 t1 = 43. 96μs ,V 1
= 6. 668 V ; t2 = 85. 83μs ,V 2 = 3. 668 V . 两时间差 T = t2 - t1 = 41. 87μs 即为振荡周期. V 1 为阈值输
入端阈值电压 ,V 2 为触发输入端阈值电压 ,理论值与仿真结果误差仅为0. 001 V. 根据周期计算公式 T =
0. 69 ( R1 + 2 R3 ) C1 ,可得理论上的周期为 41. 4μs ,误差仅为 0. 47μs. 仿真结果与理论分析结果非常接近.
2. 2 555 定时器构成的单稳态触发器
555 定时器构成的单稳态触发器如图 5 ,其工作原理分析重点是 R1 、C1 构成的定时电路和定时器内部
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的放电三极管 TD . 该电路采用的电源电压 V CC = 15 V ,可知定时器阈值输入端阈值电压为 2
3 V CC = 10 V ,
触发输入端阈值电压为 1
3 V CC = 5 V. 下面结合 Pspice 仿真波形分析单稳态触发器工作原理.
2. 2. 1 Pspice 仿真与定性分析
以触发信号 V 2 、定时电容电压 V C1 和输出电压 V O 为分析对象. 根据单稳态触发器输出脉冲宽度公式
tw = 1. 1 ×R1 ×C1 计算此电路 tw = 11 ms. 选择触发信号为周期为 20 ms ,宽度为 5 ms. 启动 Pspice 程序
的瞬态特性分析得仿真波形如图 6.
图 5 单稳态触发器电路
(1) 刚接通电源且没有触发脉冲输入
时 , T K = 1 , 无效. 电容两端电压不能跳变
V C1 = 0 ,即阈值输入端 T H = 0 ,定时器保
持原状态. 但原状态不知道 , 所以需要分析
得出. 分两种情况 ,若为高电平 ,则 7 端放电
三极管截止 ,电源 V 1 通过电阻 R1 和电容 C1
构成回路 ,对电容 C1 充电 ,电容 C1 两端电压
上升 ,阈值输入端 T H 电压上升直到 2
3 V CC
= 10 V , 输出变为低电平 , 放电三极管饱
和 ,7 端相当于将电容 C1 短路 , 电容迅速放
电 ,6 端 T H = 0 无效 ,输出维持低电平. 若
刚接通电源输出为低电平 ,7 端放电三极管饱和导通 ,电容两端均接地电压为零 ,6 端 T H = 0 ,输出仍然为
低电平稳定值 ,综上所述刚接通电源时 ,若没有低电平触发脉冲 ,输出为稳定的低电平 ,处于稳定状态 (对
应图 6 ①位置) .
图 6 单稳态触发器仿真波形
(2) 当有触发脉冲加入时 (对应图 6 ②位
置) , TR = 0 , T H = 0 ,输出变为高电平. 输出一
变为高电平 ,则定时器内部放电三极管 TD 截止 ,
电源 V 1 通过电阻 R1 和电容 C1 构成回路 ,对电容
C1 充电 , 电容 C1 两端电压上升 (对应图 6 ③位
置) .
(3) 当电容两端电压上升直到 2
3 V CC = 10 V
时(对应图 6 ④位置) , T H = 1 ,输出变为低电平
(对应图 6 ⑤位置) ,放电三极管饱和 ,7 端相当于
将电容 C1 短路 , 电容迅速放电电压下降到几乎
为零(对应图 6 ⑥位置) . 之后等待下一个触发脉
冲的作用 ,以后触发脉冲作用原理分析同上.
通过以上结合 Pspice 仿真的分析 ,能够直观
的理解单稳态触发器的工作原理. 对于全面掌握
该电路有重要的意义.
2. 2. 2 Pspice 仿真与定量计算
由图 6 可得低电平触发脉冲开始时刻 t1 = 10. 037 ms ,暂稳态结束时刻 t2 = 21. 017 ms ,暂稳态持续
时间 Pspice 仿真结果为 tw = t2 - t1 = 10. 98 ms. 根据单稳态触发器暂稳态计算公式 tw = 1. 1 ×R1 ×C1
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= 11 ms ,仿真结果与理论分析误差仅为 0. 02 ms ,可见 Pspice 仿真结果对实际电路设计具有重要意义和
实际应用价值.
3 结 论
本文通过对 555 定时器功能的分析 ,总结出对其进行等效分析的简化等效电路及管脚功能的谐音记
忆法 ,然后利用著名的电子电路仿真软件 Pspice 对 555 定时器构成的两个典型电路进行了仿真 ,从定性和
定量两个角度对照理论分析结果进行分析 ,得到了很好的对应结果. 可见在电子电路的分析与设计中 ,采
用仿真软件的辅助 ,可以很容易地得到与实际设计相近的结果 ,简化设计过程.
参 考 文 献 :
[1 ] 康华光. 电子技术基础(数字部分) [ M ]. 北京 :高等教育出版社 , 2000.
[2 ] 阎石. 数字电子技术基础[ M ]. 北京 :高等教育出版社 , 1998.
[3 ] 贾新章 , 武岳山. 电子电路 CAD - 基于 OrCAD9. 2[ M ]. 西安 :西安电子科技大学出版社 , 2002.
Equivalent Analysis and Pspice Simulation
for 555 Timer Circuit
L I Wei2bing
( Department of Physics , B inz hou University , B inz hou 256603 , China)
Abstract :This paper it proposes a simple equivalent circuit to describe the function of 555 timer , and
a method to remember the function of the pin. Through the comparison of Pspice simulation with theo2
retic analysis , the author brings out an analysis method for 555 timer circuit , and specifies the signifi2
cance of simulation software in circuit analysis and circuit design.
Key words :555 timer ,equivalent circuit ,Pspice simulation , astable multivibrator ,monostable multi2
vibrator
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555定时器电路的等效分析与Pspice仿真
