实验08 555定时器及其应用

实验八 555定时器及其应用

一、实验目的

1．熟悉并掌握555时基电路的工作原理；

2．熟悉并掌握555构成的单稳态触发器、多谐振荡器、占空比可调的多谐振荡器三种典型电路结构及工作原理；

3．学会应用555时基集成电路。

二、实验任务（建议学时：4学时）

（一）基本实验任务

1. NE555构成的单稳态触发器逻辑功能测试；

2. NE555构成的多谐振荡器及参数测试；

3. NE555构成的占空比可调的多谐振荡器及参数测试；

（二）扩展实验任务（）

1. 555构成的脉冲宽度调制（PWM —Pulse Width Modulation ）器。

2. 利用555时基电路设计一个驱动电路，能够实现对LED 灯的亮度调节。

3. 利用555时基电路设计一个线性斜坡电压（Linear Ramp ）发生器。

三、实验原理

1．555定时器又称为时基电路，由于它的内部使用了三个5K 的电阻，故取名555。

NE555引脚功能说明：

GND ：电源地；TRIG ：触发端；OUT ：输出端；RESET ：清零端，低电平有效； CONT ：控制端；THRES ：阈值电压输入端；DISCH ：放电端；Vcc ：电源正极；

5K

5K

5K

R

S

RE S

Vcc CONT RESET

THRES

TRIG GND DISCH

OUT 12

6

5

84

3

7

（a ）引脚排列

（b ）内部框图

图8-1 NE555引脚排列及内部框图

555定时器集成芯片型号很多，例如LM555、NE555、SA555、CB555、ICM7555、LMC555等等，尽管型号繁多，但它们的引脚功能是完全兼容的，在使用中可以彼此替换，大多数双极型芯片最后3位数码都是555，大多数CMOS型芯片最后4位数码都是7555（还有部分定时器芯片的命名采用C555来表示CMOS型555定时器，例如LMC555）。另外，还有双定时器型芯片双极型的556和CMOS型的7556、四定时器NE558。

555的引脚排列和内部框图见图8-1，556的引脚排列见图8-2。

图8-2 NE556双定时器引脚排列

2．双极型与CMOS型555定时器芯片的区别

1）双极型555定时器工作电压范围5~15V，其驱动能力强，最大负载电流达±200mA，其构成的多谐振荡器工作频率较低，极限大约为300kHz（不同厂商生产的555定时器其最高振荡频率不一定相同，具体值需要通过查阅厂商提供的芯片参数手册）；

2）CMOS型555定时器工作电压范围3~16V，其驱动能力弱，最大负载电流仅有±4mA，其构成的多谐振荡器工作频率较高，可达500kHz（不同厂商生产的555定时器其最高振荡频率不一定相同，具体值需要通过查阅厂商提供的芯片参数手册）；

由于CMOS型的555定时器驱动能力很弱，因此，使用CMOS型的555定时器时，当负载工作电流最大值超过±4mA时，需要在CMOS型555定时器的Out端和负载之间加一级缓冲电路以提高CMOS型555定时器的驱动能力。

注意，这里的负载电流正负表示的含义为：负载电流为正时，表示电流由Out端流出，负载电流为负时，表示电流流入Out端。

（一）基本实验任务

1. 555构成的单稳态触发器

555构成的单稳态触发电路如图8-3电路所示，当555的触发端TRI 施加一触发信号，

TRI 端的电压＜

3

1

Vcc ，555被触发，进入暂态，其Out 端输出一个高电平，同时DIS 放电端截止，5V 电源通过R 对C 进行充电，当C 两端电压由0V 充电至≥3

2

Vcc 时，Out 端输

出高电平翻转为低电平，同时电容C 通过导通的DIS 放电端放电至0V ，电路进入稳态，为下一次触发脉冲的到来做好准备。图8-3单稳态触发电路的暂态持续时间t w ≈1.1RC （R 单位K Ω，C 单位uF ，则t 的单位为ms ），若Ui 端输入一个时钟脉冲信号CP ，则图8-3单稳态触发器电路可作为分频器使用，t w 应满足NT-0.5T ≤t w ＜NT ，其中N 为分频数，T 为时钟脉冲CP 周期，TRI 端每输入N 个脉冲，Out 端就输出一个宽度为t 1=NT-t w 的低电平信号。 2. 555构成的多谐振荡器

555构成的多谐振荡器如图8-3电路所示，假设

上电前电容C 两端电压Vc 为零，上电后Vc ＜3

1

Vcc ，

DIS 端截止，5V 电源通过R1、R2给C 充电，Out

端输出高电平，当C 两端电压充电至Vc ≥3

2

Vcc 时，

Out 端高电平翻转为低电平，同时电容C 通过R2经导通的DIS 端到地放电，直至Vc 再次≤

3

1

Vcc ，DIS 端截止，5V 又重新通过R1和R2对C 充电，Out 端

图8-3 单稳态触发电路

输出高电平，如此往复循环，Out 端就会输出一个连续方波信号。 3. 占空比可调的多谐振荡器

占空比可调的多谐振荡器如图8-5所示，它是在图8-4多谐振荡器电路的基础上利用两个二极管D 1和D 2将C 的充电回路和放电回路隔离开，电容充电期间Uo 为高电平，其高电平保持时间记为t on ，则t on =（R 1+Rp A ）Cln2，电容放电期间Uo 输出低电平，其低电平保持时间记为t off =（R 2+Rp B ）Cln2，OUT 端输出的方波周期T=t on +t off =(R 1+Rp+R 2)Cln2。

由图8-5充放电过程分析可知，调节Rp 可以改变Rp A 和RP B 的比值，从而实现对t on

和t off 的改变，但R 1+Rp+R 2始终保持不变，故T=t on +t off 也不变。这里占空比用q 表示，其定义式为：q=

T t on ，当电路中的C 保持不变，则占空比q 表达式还可写为：q=2

11R R R R R P PA

+++ 最小占空比q min =211R R R R P ++，最大占空比q max =2

11R R R R R P P

+++。

（二）扩展任务

1. 555构成的脉冲宽度调制（PWM —Pulse Width Modulation ）器。

555构成的脉冲宽度调制器简称PWM 如图8-6所示，在图8-4多谐振荡器电路中将5

Uo

图8-5 占空比可调的多谐振荡器

脚与地之间的C1去掉，并在5脚（CON 端）输入一个如图8-6 （b ）所示的正弦波，则 555的OUT 端输出方波信号的占空比受CON 端输入的正弦信号调制，方波信号的占空比按正弦规律变化。Uo 、Ui 、Uc 波形如图8-6（c ）图所示

2. 利用555时基电路设计一个驱动电路，能够实现对LED 灯的亮度进行调节。

当LED 正常发光时，其两端电压（正向压降U F ）基本保持不变，不同发光颜色的LED 灯，其U F 不同，通常情况下：红色LED 的U F 约2~2.2V 、蓝色LED 的U F 约3~3.3V 、白色LED 的U F 约3~3.3V 、绿色LED 的U F 约2.8~3V 。

LED 灯属于电流型器件，一般普通LED 灯的正向工作电流I F 极限值约为50mA ，其光衰电流不能大于I F /3（约15～18mA ）。当LED 灯的IF ＜17mA 时，其发光强度与它的I F 几乎可近似为线

性关系（实际上LED 的正向电流和光输出并不是完全正比关系，且不同的LED 会有不同的正向电流和光输出关系曲线），但当IF ﹥20mA 时，LED 亮度的增强肉眼已无法分辨，因此，LED 的工作电流一般选择在15mA 左右，此时LED 的电光转换效率较高，且光衰电流合理。

（c ）Ui 、Uc 、Uo 波形图

图8-6 PWM 调制器

综上所述，要实现对LED的亮度调节最简单的方法就是调节其正向电流I F的大小，但直接调节I F大小会导致LED发光色谱产生偏移（具体原因可自行上网查阅相关资料）。目前广泛使用的LED调光技术都是基于PWM方式来调节LED亮度的，其原理如图8-7所示。

设计要求：利用NE555设计一个占空比q在0.25~0.75可调，一个周期T内对应LED 的平均I F在5~15mA之间，NE555工作电源电压为5V，LED的I F最大值Imax取20mA，PWM的周期T应足够小，以保证人眼不会觉察到LED有明显的闪烁感。

3. 利用555时基电路设计一个线性斜坡（Linear Ramp）信号发生器（锯齿波发生器）。

利用NE555设计一个线性锯齿波发生器，提示：如图8-8所示电路，用NE555构成多谐振荡器，并用恒流源对电容C进行恒流充电，电容两端电压Uc就会线性增大。

图8-8 锯齿波发生器

四、实验预习

1．熟悉555芯片引脚排列及引脚功能。

2．复习555内部电路结构及工作原理。

3．当图8-3电路作为分频器使用时，试分析Ui为10kHz方波信号时，电路为几分频器？

4．估算图8-4多谐振荡器的方波信号周期T及占空比q。

5．估算图8-5电路的占空比调节范围，及方波信号周期T。

6．利用Multisim仿真软件对扩展任务1进行电路仿真，观察并了解Uo、Uc、Ui波形之间的关系。

7．在扩展任务2、3项中任选一个，并利用Multisim仿真软件进行电路设计、仿真和调试直至电路功能符合设计要求为止，画出仿真电路图（电路图使用模块化画法），列出电路所需元件清单，设计出实验测试用数据表格。

五、实验器材

1．数字电路实验箱

2．数字万用表

3．集成电路芯片

1）NE555 2只；

2）三极管S8550 1只；

3）1N4148 2只；

4）10kΩ电位器1只；

5）阻容元件若干；

6）面包实验板1块；

7）导线若干。

六、实验内容与步骤

（一）基本实验任务

1．NE555构成的单稳态触发器功能测试。

1）按图8-3在面包板上接好线路，给NE555的TRI端输入一个10kHz的连续脉冲信号，观察并记录Uo和Ui波形；

2）将电路中的R由10k更换为5k1，Ui保持不变，观察并记录Uo和Ui波形；

3）将电路中的R更换为1M，C更换为10uf，去掉TRI端的Ui信号，并将实验箱中的单脉冲（下降沿）插孔用导线接至NE555的TRI端（2脚），NE555的Out端经过一470欧姆的电阻与LED灯正极相连，LED负极接地。电路通电后，给TRI一个低电平触发脉冲的同时用手机秒表功能对电路暂态t w（LED灯点亮）进行计时，并记录数据，共进行10次计时，取其平均值最为t w的最终测试结果。

2. NE555构成的多谐振荡器及参数测试。

按图8-4电路在面包板上接线，并用示波器观察并记录Uo、Uc的波形。

3. NE555构成的占空比可调的多谐振荡器及参数测试。

按图8-5电路在面包板上接线，检查接线无误后，用示波器观察并记录Rp最大和最小时对应的Uo、Uc的波形。

（二）扩展实验任务

1. 555构成的脉冲宽度调制（PWM—Pulse Width Modulation）器。

1）按照图8-6所示电路在面包板上接线，CON端输入一如图8-6（b）图所示正弦波Ui，其Vpp=2V，f=1kHz。Ui可利用函数信号发生器获得，现将其Vpp调至2V，然后利用信号发生器的DC Offset功能将其幅值向大于0V方向偏移3V。

2）用示波器观察并记录Uo、Uc、Ui的波形。

2．扩展任务选做项。

根据事先设计好的电路在实验箱或面包板上连线，按自拟实验步骤对电路进行测试，并将测试结果记入自拟的测试表格中。

七、注意事项

1．实验电路连线事先用万用表“二极管”挡进行检测，保证连接电路的连线完好，正式连接实验线路前，必须对所用芯片进行逻辑功能的验证，保证接入电路的芯片功能完好。

2．将芯片插入插座，或者从插座上拔出芯片时，用力要均匀，避免用力不均导致芯片引脚弯曲变形甚至折断。

3．注意集成芯片在集成芯片插座上的安装方向不要弄反，器件和连线要插牢，仔细核对芯片各引脚功能，先将芯片的电源引脚和地引脚分别接至5V正、负极上，其余引脚也不能接错。

4．芯片输出端不允许并联使用（非OC门），更不允许直接接地或接电源，为了提高电路的抗干扰能力，电路中多余输入端最好不要悬空。

5．实验中，必须遵循“先连线后通电，先断电后拆线”的操作原则，严禁带电操作。八、实验报告要求

1．将所有实验中观察记录的波形和测试数据整理到实验报告上，所有波形均用铅笔绘制。

2．在实验报告上用铅笔工整、清晰地画出设计的电路，并将自拟测试表格及数据、波形整理到实验报告上。

3．总结本次实验情况，写出心得体会。包括实验中遇到的问题的处理方法和结果。