发表于：2009/9/16 21:39:50
#0楼
一、 实验目的
1．熟悉集成555定时器的特性参数和使用方法。
2．掌握使用555定时器组成施密特触发器的方法
3．掌握使用555定时器组成单稳态触发器的方法，定时元件rc对脉冲宽度的影响。
4．掌握使用555定时器组成自激多谐振荡器的方法和定时元件rc对振荡周期和脉冲宽度的影响。
二、实验器材
1．数字电路实验箱 1台
2．示波器 1 台
3．万用表 1 只
4．集成电路：555定时器 1 只
5．元器件：电阻、电容 若干只
三、实验原理和电路
1．器件特性
555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。
图8.1 (a)双极性型5g555的主要性能参数
参数名称
符号
单位
参数
电源电压
vcc
v
5~16
电源电流
icc
ma
10
阈值电压
vth
v
vcc
触发电压
vtr
v
vcc
输出低电平
vol
v
1
输出高电平
voh
v
13.3
最大输出电流
iomax
ma
≤200
最高振荡频率
fmax
khz
≤300
时间误差
△t
ns
≤5
① vth即vi1 ,vtr即vi2 。
(b) cmos型7555的主要性能参数
参数名称
符号
单位
参数
电源电压
vcc
v
3~18
电源电流
icc
μa
60
阈值电压
vth
v
vdd
触发电压
vtr
v
vdd
输出低电平
v
v
0.1
输出高电平
v
v
14.8
最大输出电流
iomax
ma
≤200
最高振荡频率
fmax
khz
≥500
时间误差
△t
ns
集成555定时器有双极性型和cmos型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，cmos型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为4．5～12v，最大输出电流200ma以内，并能与ttl、cmos逻辑电平相兼容。其主要参数见表8.1。
555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图8.1和图8.2所示。
引脚功能：
图8.2 555定时器逻辑符号和引脚
图8.1 555定时器内部结构
vi1（th）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为th。
vi2（ ）：低电平触发端，简称低触发端，标志为 。
vco：控制电压端。
vo：输出端。
dis：放电端。
：复位端。
555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻r组成的分压网络，产生 vcc和 vcc两个基准电压；两个电压比较器c1、c2；一个由与非门g1、g2组成的基本rs触发器（低电平触发）；放电三极管t和输出反相缓冲器g3。
是复位端，低电平有效。复位后, 基本rs触发器的 端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。
分析图8.1的电路：在555定时器的vcc端和地之间加上电压，并让vco悬空，则比较器c1的同相输入端接参考电压 vcc，比较器c2反相输入端接参考电压 vcc ，为了学习方便，我们规定：
当th端的电压> vcc时，写为vth=1，当th端的电压 vcc时，写为vth=0。
当 端的电压> vcc时，写为vtr=1，当 端的电压 vcc时，写为vtr=0。
① 低触发：当输入电压vi2 vcc 且vi1 vcc时，vtr=0，vth=0，比较器c2输出为低电平，c1输出为高电平，基本rs触发器的输入端 =0、 =1，使q＝1， ＝0，经输出反相缓冲器后，vo＝1，t截止。这时称555定时器“低触发”；
② 保持：若vi2> vcc 且vi1 vcc，则vtr=1，vth=0， = =1，基本rs触发器保持，vo和t状态不变，这时称555定时器“保持”。
③
表8.2 555定时器控制功能表
输 入
输 出
th
vo
dis
×
vcc
vcc
> vcc
×
vcc
> vcc
×
l
h
h
h
l
h
不变
l
导通
截止
不变
导通
高触发：若vi1> vcc，则vth=1，比较器c1输出为低电平，无论c2输出何种电平，基本rs触发器因 =0，使 ＝1，经输出反相缓冲器后，vo＝0；t导通。这时称555定时器“高触发”。
555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即vth、vtr的“0”、“1”）必须牢牢掌握。
vco为控制电压端，在vco端加入电压，可改变两比较器c1、c2的参考电压。正常工作时，要在vco和地之间接0．01μf（电容量标记为103）电容。放电管tl的输出端dis为集电极开路输出。555定时器的控制功能说明见表8.2。
根据555定时器的控制功能，可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路，例如,史密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。
2．史密特触发器
由555定时器组成的史密特触发器见图8.4（虚线框中电位器rw用来调节阈值）；在数字电路中用于脉冲信号的整形。当输入vi是不规则信号时，经史密特触发器处理
后，输出为规则的方波；将史密特触发器用于数据通讯电路中，具有一定的抗干扰能力。
在图8.4（a）电路中，若vi端 （即555的2、6脚）输入三角波（或正弦波）及其它不规则的波形，则在输出端vo（3脚）输出幅值恒定的方波。史密特触发器是一种具有双
阈值（vt＋、vt—）的比较器电路，（如果在vco端接入rw，则可调节阈值）。
工作原理：在不接入rw时，vt＋= ，vt—= 。因为vi端与th和 端连接，所以：vi=vth=vtr 。由表8.2分析可知：
① vi t— 时，vth = 0, vtr = 0，555定时器“低触发”，vo为高电平。
② vt— i t＋ 时，vth=0，vtr=1，555定时器“保持”，vo保持。
③ vi > vt＋ 时，vth = 1，vtr = 1，555定时器“高触发”，vo为低电平。
图8.5 微分电路
图8.6 单稳态触发器电路与波形图3．单稳态触发器
图8.6所示为单稳态触发器的电路和波形图。单稳态触发器在数字电路中常用于规整信号的脉冲宽度（tw）：将脉宽不一致的信号输入单稳态触发器后，可输出脉宽一致的脉冲信号。另外，单稳态触发器也常用于定时器电路中，调整rc的值可以得到不同的定时值。
单稳态触发器采用电阻、电容组成rc定时电路，用于调节输出信号的脉冲宽度tw。在图8.6（a）的电路中，vi接555定时器的 端，其工作原理如下：
① 稳态（触发前）：vi为高电平时，vtr=1，输出vo为低电平，放电管t导通，定时电容器c上的电压（6、7脚电压）vc = vth = 0 ，555定时器工作在“保持”态。
② 触发：在vi端输入低电平信号，555定时器的 端为低电平，电路被“低触发”，q端输出高电平信号，同时，放电管t截止，定时电容器c经（r+rw）充电，vc逐渐升高。电路进入暂稳态。在暂稳态中，如果vi恢复为高电平（vtr=1），但vc充电尚未达到 vcc时（vth=0），555定时器工作在保持状态，vo为高电平，t截止，电容器继续充电。
③ 恢复稳态：经过一定时间后，电容器充电至vc略大于 vcc ，因vth> vcc使555定时器“高触发”，vo跳转为低电平，放电管t导通，电容器经t放电，vc迅速降为0v，这时，vtr=1，vth=0，555定时器恢复“保持”态。
④ 高电平脉冲的脉宽tw：当vo输出高电平时，放电管t截止，电容器开始充电，在电容器上的电压 vcc这段时间，vo一直是高电平。因此，脉冲宽度即是由电容器c开始充电至vc= vcc的这段暂稳态时间。
脉冲宽度计算公式：tw≈1.1(r+rw)c。
⑤ 图8.5为产生窄负脉冲用的“微分电路”，原理后附。
图8.7 自激多谐振荡器电路和波形图4．自激多谐振荡器
图8.7所示为自激多谐振荡器电路和波形图。自激多谐振荡器用于产生连续的脉冲信号。电路采用电阻、电容组成rc定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。调节rw或电容c，可得到不同的时间常数；还可产生周期和脉宽可变的方波输出。
脉冲宽度计算公式：tw≈0.7 (r1+rw+r2) c
振荡周期计算公式：t≈0.7 (r1+rw+2r2) c
分析方法与单稳态电路相似，但电容器c的充电电阻是r1+rw+r2 ，放电电阻是r2 。当vc是低电平时，555定时器低触发，vo为高电平，放电管t截止，电容器经（r1+rw+r2）充电，当充电至vc=vth> vcc时，电路高触发，输出vo变为低电平，放电管t导通，电容器经r2放电，当放电至vc=vtr vcc时，电路又进入低触发，vo变为高电平，如此周而复始，循环不止，输出连续脉冲信号。
四、实验内容及步骤
将555定时器插入实验箱中（注意器件方向），电源电压vcc=＋5v。然后按以下步骤进行。
1．史密特触发器
① 对照图8.4（a）接线。其中555定时器的2和6脚接在一起为vi ，3脚vo接状态灯，用来监视vo状态。
② 用实验箱中的100k电位器按图8.3接线，组成一个直流信号源，与单稳态触发器的vi端连接 ，vcc接＋5v。用数字万用表监测vi的电压。
③ 检查接线无误后，接通电源，旋转电位器改变直流输入信号vi的电压值，观察状态灯的亮、灭情况，在状态灯亮、灭的临界点十分缓慢地旋转电位器，仔细、反复进行几次，找出使状态灯亮、灭对应的vi电压准确值，判断vth1、vth2 。记录结果。
2．单稳态触发器
按图8.6（a）接线，组成单稳态触发器。由于该电路vi端输入信号的脉宽必须小于输出脉冲vo的脉宽（即需要窄脉冲触发）才能定时准确，因此当使用方波信号作为输入信号时，必须经“微分电路”变为窄脉冲。按图8.5接线，组成微分电路。将实验箱的“单次正脉冲信号”经微分电路接vi ，输出vo接状态灯。
① 调节rw为最大值100kω 输入单次脉冲一次，观察状态灯亮的时间。调节rw，再进行输入vi的操作，观察状态灯亮时间。实验者更换定时电容c为10μf，再进行上述操作，观察输出vo的延时情况。
② 调节连续脉冲发生器（pules input）产生500hz方波信号，并经微分电路接单稳态触发器的vi端。用示波器y1观测vi ，y2分别观测vo和vc ，记录波形。
3．多谐振荡器
按对照图8.5（a）接线，输出端vo接状态灯和示波器，并把10μf电容c接入电路中。
① 接线完毕，检查无误后，接通电源，555定时器工作。这时可看到状态灯间歇闪亮。调节rw的值，记录现象。
③ 改变电容c的数值为0.01μf（即103pf），再调节rw ，用示波器观察输出波形的变化，记录rw=0和rw=100k时的vc 、vo波形、脉宽及频率。
五、预习要求
1．复习555定时器的结构和工作原理，写出低触发、保持和高触发的输入条件。
2．计算实验电路中555单稳态触发器和多谐振荡器的rc值与脉冲波形的关系理论值（设c=0.01μf，rw=0和rw=100k两种情况）。
3．掌握555定时器的管脚排列。
六、实验报告要求
1．整理实验线路，画出各种实验波形。
2．分析理论计算值和实际测得值的误差为多少，
附：微分电路工作原理：
附图1 rc电路的耦合和微分作用图8.5所示rc网络在电子电路中有两种作用：“耦合”与“微分”。该电路的时间常数为:τ=rc（秒）。当输入信号的脉宽（tw）远小于τ时，rc电路起耦合作用，vo波形与vi相差不大，见附图1（a）；但当输入信号脉宽较宽时，由于平顶降落（δ）较大，使输出信号脉宽变窄，rc电路对输出信号起微分作用，vo变为尖脉冲，见附图1（b）。平顶段的计算公式：
；式中tw为脉冲宽度。由式中可以看出，当tw时， ， →1, uo(t)≈ui；而tw越大，则 越小，uo(t)越小。
本次实验中，当r=10k，c=0.01μf时，
而500hz的方波信号脉宽为
tw>>τ，满足微分电路的要求，能够将方波变为尖脉冲。精确的脉宽可由公式计算得出。
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1．熟悉集成555定时器的特性参数和使用方法。
2．掌握使用555定时器组成施密特触发器的方法
3．掌握使用555定时器组成单稳态触发器的方法，定时元件rc对脉冲宽度的影响。
4．掌握使用555定时器组成自激多谐振荡器的方法和定时元件rc对振荡周期和脉冲宽度的影响。
二、实验器材
1．数字电路实验箱 1台
2．示波器 1 台
3．万用表 1 只
4．集成电路：555定时器 1 只
5．元器件：电阻、电容 若干只
三、实验原理和电路
1．器件特性
555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。
图8.1 (a)双极性型5g555的主要性能参数
参数名称
符号
单位
参数
电源电压
vcc
v
5~16
电源电流
icc
ma
10
阈值电压
vth
v
vcc
触发电压
vtr
v
vcc
输出低电平
vol
v
1
输出高电平
voh
v
13.3
最大输出电流
iomax
ma
≤200
最高振荡频率
fmax
khz
≤300
时间误差
△t
ns
≤5
① vth即vi1 ,vtr即vi2 。
(b) cmos型7555的主要性能参数
参数名称
符号
单位
参数
电源电压
vcc
v
3~18
电源电流
icc
μa
60
阈值电压
vth
v
vdd
触发电压
vtr
v
vdd
输出低电平
v
v
0.1
输出高电平
v
v
14.8
最大输出电流
iomax
ma
≤200
最高振荡频率
fmax
khz
≥500
时间误差
△t
ns
集成555定时器有双极性型和cmos型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，cmos型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为4．5～12v，最大输出电流200ma以内，并能与ttl、cmos逻辑电平相兼容。其主要参数见表8.1。
555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图8.1和图8.2所示。
引脚功能：
图8.2 555定时器逻辑符号和引脚
图8.1 555定时器内部结构
vi1（th）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为th。
vi2（ ）：低电平触发端，简称低触发端，标志为 。
vco：控制电压端。
vo：输出端。
dis：放电端。
：复位端。
555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻r组成的分压网络，产生 vcc和 vcc两个基准电压；两个电压比较器c1、c2；一个由与非门g1、g2组成的基本rs触发器（低电平触发）；放电三极管t和输出反相缓冲器g3。
是复位端，低电平有效。复位后, 基本rs触发器的 端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。
分析图8.1的电路：在555定时器的vcc端和地之间加上电压，并让vco悬空，则比较器c1的同相输入端接参考电压 vcc，比较器c2反相输入端接参考电压 vcc ，为了学习方便，我们规定：
当th端的电压> vcc时，写为vth=1，当th端的电压 vcc时，写为vth=0。
当 端的电压> vcc时，写为vtr=1，当 端的电压 vcc时，写为vtr=0。
① 低触发：当输入电压vi2 vcc 且vi1 vcc时，vtr=0，vth=0，比较器c2输出为低电平，c1输出为高电平，基本rs触发器的输入端 =0、 =1，使q＝1， ＝0，经输出反相缓冲器后，vo＝1，t截止。这时称555定时器“低触发”；
② 保持：若vi2> vcc 且vi1 vcc，则vtr=1，vth=0， = =1，基本rs触发器保持，vo和t状态不变，这时称555定时器“保持”。
③
表8.2 555定时器控制功能表
输 入
输 出
th
vo
dis
×
vcc
vcc
> vcc
×
vcc
> vcc
×
l
h
h
h
l
h
不变
l
导通
截止
不变
导通
高触发：若vi1> vcc，则vth=1，比较器c1输出为低电平，无论c2输出何种电平，基本rs触发器因 =0，使 ＝1，经输出反相缓冲器后，vo＝0；t导通。这时称555定时器“高触发”。
555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即vth、vtr的“0”、“1”）必须牢牢掌握。
vco为控制电压端，在vco端加入电压，可改变两比较器c1、c2的参考电压。正常工作时，要在vco和地之间接0．01μf（电容量标记为103）电容。放电管tl的输出端dis为集电极开路输出。555定时器的控制功能说明见表8.2。
根据555定时器的控制功能，可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路，例如,史密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。
2．史密特触发器
由555定时器组成的史密特触发器见图8.4（虚线框中电位器rw用来调节阈值）；在数字电路中用于脉冲信号的整形。当输入vi是不规则信号时，经史密特触发器处理
后，输出为规则的方波；将史密特触发器用于数据通讯电路中，具有一定的抗干扰能力。
在图8.4（a）电路中，若vi端 （即555的2、6脚）输入三角波（或正弦波）及其它不规则的波形，则在输出端vo（3脚）输出幅值恒定的方波。史密特触发器是一种具有双
阈值（vt＋、vt—）的比较器电路，（如果在vco端接入rw，则可调节阈值）。
工作原理：在不接入rw时，vt＋= ，vt—= 。因为vi端与th和 端连接，所以：vi=vth=vtr 。由表8.2分析可知：
① vi t— 时，vth = 0, vtr = 0，555定时器“低触发”，vo为高电平。
② vt— i t＋ 时，vth=0，vtr=1，555定时器“保持”，vo保持。
③ vi > vt＋ 时，vth = 1，vtr = 1，555定时器“高触发”，vo为低电平。
图8.5 微分电路
图8.6 单稳态触发器电路与波形图3．单稳态触发器
图8.6所示为单稳态触发器的电路和波形图。单稳态触发器在数字电路中常用于规整信号的脉冲宽度（tw）：将脉宽不一致的信号输入单稳态触发器后，可输出脉宽一致的脉冲信号。另外，单稳态触发器也常用于定时器电路中，调整rc的值可以得到不同的定时值。
单稳态触发器采用电阻、电容组成rc定时电路，用于调节输出信号的脉冲宽度tw。在图8.6（a）的电路中，vi接555定时器的 端，其工作原理如下：
① 稳态（触发前）：vi为高电平时，vtr=1，输出vo为低电平，放电管t导通，定时电容器c上的电压（6、7脚电压）vc = vth = 0 ，555定时器工作在“保持”态。
② 触发：在vi端输入低电平信号，555定时器的 端为低电平，电路被“低触发”，q端输出高电平信号，同时，放电管t截止，定时电容器c经（r+rw）充电，vc逐渐升高。电路进入暂稳态。在暂稳态中，如果vi恢复为高电平（vtr=1），但vc充电尚未达到 vcc时（vth=0），555定时器工作在保持状态，vo为高电平，t截止，电容器继续充电。
③ 恢复稳态：经过一定时间后，电容器充电至vc略大于 vcc ，因vth> vcc使555定时器“高触发”，vo跳转为低电平，放电管t导通，电容器经t放电，vc迅速降为0v，这时，vtr=1，vth=0，555定时器恢复“保持”态。
④ 高电平脉冲的脉宽tw：当vo输出高电平时，放电管t截止，电容器开始充电，在电容器上的电压 vcc这段时间，vo一直是高电平。因此，脉冲宽度即是由电容器c开始充电至vc= vcc的这段暂稳态时间。
脉冲宽度计算公式：tw≈1.1(r+rw)c。
⑤ 图8.5为产生窄负脉冲用的“微分电路”，原理后附。
图8.7 自激多谐振荡器电路和波形图4．自激多谐振荡器
图8.7所示为自激多谐振荡器电路和波形图。自激多谐振荡器用于产生连续的脉冲信号。电路采用电阻、电容组成rc定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。调节rw或电容c，可得到不同的时间常数；还可产生周期和脉宽可变的方波输出。
脉冲宽度计算公式：tw≈0.7 (r1+rw+r2) c
振荡周期计算公式：t≈0.7 (r1+rw+2r2) c
分析方法与单稳态电路相似，但电容器c的充电电阻是r1+rw+r2 ，放电电阻是r2 。当vc是低电平时，555定时器低触发，vo为高电平，放电管t截止，电容器经（r1+rw+r2）充电，当充电至vc=vth> vcc时，电路高触发，输出vo变为低电平，放电管t导通，电容器经r2放电，当放电至vc=vtr vcc时，电路又进入低触发，vo变为高电平，如此周而复始，循环不止，输出连续脉冲信号。
四、实验内容及步骤
将555定时器插入实验箱中（注意器件方向），电源电压vcc=＋5v。然后按以下步骤进行。
1．史密特触发器
① 对照图8.4（a）接线。其中555定时器的2和6脚接在一起为vi ，3脚vo接状态灯，用来监视vo状态。
② 用实验箱中的100k电位器按图8.3接线，组成一个直流信号源，与单稳态触发器的vi端连接 ，vcc接＋5v。用数字万用表监测vi的电压。
③ 检查接线无误后，接通电源，旋转电位器改变直流输入信号vi的电压值，观察状态灯的亮、灭情况，在状态灯亮、灭的临界点十分缓慢地旋转电位器，仔细、反复进行几次，找出使状态灯亮、灭对应的vi电压准确值，判断vth1、vth2 。记录结果。
2．单稳态触发器
按图8.6（a）接线，组成单稳态触发器。由于该电路vi端输入信号的脉宽必须小于输出脉冲vo的脉宽（即需要窄脉冲触发）才能定时准确，因此当使用方波信号作为输入信号时，必须经“微分电路”变为窄脉冲。按图8.5接线，组成微分电路。将实验箱的“单次正脉冲信号”经微分电路接vi ，输出vo接状态灯。
① 调节rw为最大值100kω 输入单次脉冲一次，观察状态灯亮的时间。调节rw，再进行输入vi的操作，观察状态灯亮时间。实验者更换定时电容c为10μf，再进行上述操作，观察输出vo的延时情况。
② 调节连续脉冲发生器（pules input）产生500hz方波信号，并经微分电路接单稳态触发器的vi端。用示波器y1观测vi ，y2分别观测vo和vc ，记录波形。
3．多谐振荡器
按对照图8.5（a）接线，输出端vo接状态灯和示波器，并把10μf电容c接入电路中。
① 接线完毕，检查无误后，接通电源，555定时器工作。这时可看到状态灯间歇闪亮。调节rw的值，记录现象。
③ 改变电容c的数值为0.01μf（即103pf），再调节rw ，用示波器观察输出波形的变化，记录rw=0和rw=100k时的vc 、vo波形、脉宽及频率。
五、预习要求
1．复习555定时器的结构和工作原理，写出低触发、保持和高触发的输入条件。
2．计算实验电路中555单稳态触发器和多谐振荡器的rc值与脉冲波形的关系理论值（设c=0.01μf，rw=0和rw=100k两种情况）。
3．掌握555定时器的管脚排列。
六、实验报告要求
1．整理实验线路，画出各种实验波形。
2．分析理论计算值和实际测得值的误差为多少，
附：微分电路工作原理：
附图1 rc电路的耦合和微分作用图8.5所示rc网络在电子电路中有两种作用：“耦合”与“微分”。该电路的时间常数为:τ=rc（秒）。当输入信号的脉宽（tw）远小于τ时，rc电路起耦合作用，vo波形与vi相差不大，见附图1（a）；但当输入信号脉宽较宽时，由于平顶降落（δ）较大，使输出信号脉宽变窄，rc电路对输出信号起微分作用，vo变为尖脉冲，见附图1（b）。平顶段的计算公式：
；式中tw为脉冲宽度。由式中可以看出，当tw时， ， →1, uo(t)≈ui；而tw越大，则 越小，uo(t)越小。
本次实验中，当r=10k，c=0.01μf时，
而500hz的方波信号脉宽为
tw>>τ，满足微分电路的要求，能够将方波变为尖脉冲。精确的脉宽可由公式计算得出。
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