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555定时器组成的稳态电路分析

555定时器是一款经典的芯片,从学校实验板到工业产品到处可见它的身影,其组成的电路千变万化,本篇就555组成的三类基础电路重点分析其工作原理,由这三类基本电路再去分析其他电路就简单多了。

内部等效图如下:2个比较器+1个三极管+1个RS触发器+1个非门。

真值表如下:

整体说来,555组成的电路可以分为三种:无稳态电路,单稳态电路,双稳态电路。

  1. 无稳态电路:也称多谐振荡器,或是自激多谐振荡器电路,与单稳态电路、双稳态电路的明显不同之处在于这种电路输出端高低电平两种状态不断交替循环,即只有两个暂态,没有稳态,电路也不需要外部触发信号。
  2. 单稳态电路:单稳态电路只有一种稳定的输出状态,在外界触发信号的作用下,电路从稳态翻转到暂态,在暂态维持一段时间后,又回到稳态。
  3. 双稳态电路:和以上单稳态电路相比较,双稳态电路有二种稳定的输出状态,并且在外加触发信号的作用下,可以由一种稳定状态转换为另一种稳定状态。

一.无稳态电路——脉冲宽度调制(PWM)电路

以上电路是比较常用的PWM产生电路,R3电位器左右调节阻值还可在频率不变的情况下调节PWM占空比。

分析工作过程:

1.第一阶段:初始上电阶段由于D2二极管处于截止状态,所以电源V1通过R1、R3左给电容C1充电,C1两端电压介于0-1/3VCC之间时,output脚输出高电平,discharge脚为高阻态;

2.第二阶段:如果C1继续充电,电压上升,在介于1/3VCC-2/3VCC时,output脚保持高电平,discharge脚保持不变;

3.第三阶段:当C1两端电压大于2/3VCC时,output脚、discharge脚变为低电平,C1上电荷通过R2、R3右逐渐释放,C1两端电压逐渐降低,在C1两端电压小于1/3VCC瞬间,output脚变为高电平,discharge脚变为高阻态。

由于第三阶段之后只有一瞬间进入第一阶段,所以可以认定后续状态为第二阶段与第三阶段不断循环。

结合真值表及电容C1的充电曲线,可得到以下公式:

两式相加:

其中Vf为二极管压降,VCC为供电电压。

由上式可以得出结论:

1.R1、R2、R3、C1值不改变的情况下,调节R3电位器,只改变占空比,不改变频率;

2.很多人计算时不考虑系数K,不考虑的话实际结果和计算会有较大误差。

仿真电路:

仿真结果:

思考一下,为什么绿色框标记的部分Ton时间比后续Ton长?

初始上电时V0=0,而后续状态V0=1/3VCC,Vt都等于2/3VCC,导致充电时间自然就不一样。

二.单稳态电路——延时开关电路

分析工作过程:

1.第一阶段:未触发开关,由于2脚为高电平,所以3脚Output和7脚Discharge电平一直在低电平与保持状态之间来回切换,因此3脚Output表现为低电平;

2.第二阶段:触发开关,导致2脚接地,产生低电平,满足小于1/3 Vcc条件,因此3脚Output变成高电平,同时7脚Discharge变成高阻态,此时C4开始充电,两端电压逐渐升高。在C4两端电压大于2/3 Vcc瞬间,3脚Output、7脚Discharge也变成低电平,C4放电至两端电压为0,恢复初始的稳定状态。

延时时间计算:

仿真电路:

仿真结果:

三.双稳态电路——单按键开关电路

分析工作过程:

1.第一阶段:在初始上电时,R8、R9分压,由于C6的存在,所以2脚和6脚电压逐渐上升,最终稳定在1/2VCC,由于上升过程中电压会经过1/3VCC电压点,所以最终输出会稳定在3脚Output保持高电平不变,7脚Discharge保持高阻态不变,由于3脚Output高电平,所以C5持续充电保持高电平;

2.第二阶段:第一次触发按键K1,C5两端电压加在R9两端会产生大于2/3VCC的尖峰电压,2脚、6脚电压超过2/3VCC阈值电压,3脚Output、7脚Discharge则输出低电平,此时R8、R9、R10分压,由串并联计算可知,2脚、6脚电压介于1/3VCC与2/3VCC之间,查真值表可知,3脚Output保持低电平不变,7脚Discharge保持低电平不变,按键松手后,C5上电荷通过R10电阻逐渐释放至两端为0;

3.第三阶段:第二次触发按键K1,按下瞬间C5电容可等效为短路,会将2脚、6脚电压拉低到1/3VCC以下,查真值表可知,3脚Output变为高电平,7脚Discharge变为高阻态,按键松手前,R8、R9、R10分压,2脚、6脚电压介于1/3VCC与2/3VCC之间,3脚Output保持高电平,7脚Discharge保持高阻态,按键松手后,3脚Output输出高电平持续为C5电容充电;

后续继续按下按键则实现第二阶段与第三阶段的循环。

注意以上电路中C5取值时应该满足以下条件:

1.容量不可太大,若太大,R10*C5充放电时间较长,快速按键时无法在2脚6脚产生足够的电压幅值变化;

2.容量不可太小,若太小,按键按下时C5等效阻抗太小无法拉低2脚6脚电压。

仿真电路:

仿真结果:

以上篇幅介绍了555定时器应用的三种基本电路:无稳态电路、单稳态电路、双稳态电路,其余电路均是在这三种电路基础上延伸出来的,我们在分析电路时,无论多复杂的电路都可以拆分开来具体分析,化繁为简,都会迎刃而解。

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  • dy-6qyQL7Mr 1星期前
    占空比能调的范围是多少呢?
    回复 1条回复
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