555集成定时器是由模拟电路和数字电路巧妙结合而成的单片集成电路。由于其独特的设计思路，该集成电路广泛应用于脉冲的产生、整形、定时和延时等方面。
5.2.1 集成定时器的电路结构与工作特性 (以CC7555为例)
内部结构与引脚功能
- 核心构成：内部主要由三个电阻构成的分压器、两个电压比较器、一个基本RS触发器（由或非门组成）、一个输出缓冲级（两只非门用于扩大输出电流）以及一个放电用的场效应管（T）组成。
- 参考电压：三个等值电阻串联分压，产生两个关键的内部参考电压： (高参考电压) 和 (低参考电压)。
- 引脚封装：通常采用8只引脚封装。
引脚编号 | 名称 | 功能描述 |
Pin 1 | GND | 接地 |
Pin 2 | TRIG | 低触发端()，接比较器C2的反相输入端 |
Pin 3 | OUT | 输出端 |
Pin 4 | RESET | 复位端，低电平有效，可使输出强制为低电平并使放电管导通 |
Pin 5 | CTRL | 控制电压端，可外接电压改变高参考电压（默认为），从而改变定时时间和振荡频率。通常不使用时接一小电容到地以提高稳定性 |
Pin 6 | THRES | 高触发端()，接比较器C1的同相输入端 |
Pin 7 | DISCH | 放电端，内接放电管的漏极，用于定时电容的放电 |
Pin 8 | VCC/VDD | 电源正端 |
工作原理
- 电压比较电压比较器1 (C1)：其同相输入端接 Pin 6 (THRES)，反相输入端接内部参考电压 。
- 当 时，C1输出高电平，使RS触发器的 R端为1。
- 当 时，C1输出低电平，使RS触发器的 R端为0。
- 电压比较器2 (C2)：其反相输入端接 Pin 2 (TRIG)，同相输入端接内部参考电压 。
- 当 时，C2输出高电平，使RS触发器的 S端为1。
- 当 时，C2输出低电平，使RS触发器的 S端为0。
- RS触发器：根据R、S输入的状态改变其输出Q（未反相）和（反相）。
状态描述 | ||||
0 | 0 | 保持 | 保持 | 状态保持不变 |
0 | 1 | 1 | 0 | 置位 |
1 | 0 | 0 | 1 | 复位 |
1 | 1 | - | - | 禁用状态（实际电路设计会避免） |
- 输出级与放电管：触发器的反相输出 控制输出端 (Pin 3) 的状态和放电管T的导通与截止。
- 当 (Q=1) 时，Pin 3输出高电平，放电管T截止。
- 当 (Q=0) 时，Pin 3输出低电平，放电管T导通。
5.2.2 集成定时器的应用
构成基本RS触发器
- 连接方式：将555定时器的高触发端 (Pin 6) 作为R输入，低触发端 (Pin 2) 作为S输入。Pin 5可接一小电容到地以稳定参考电压。
- 工作逻辑：
- 当Pin 2输入低电平脉冲 ()，S=1，触发器置位，Pin 3输出高电平。
- 当Pin 6输入高电平脉冲 ()，R=1，触发器复位，Pin 3输出低电平。
构成多谐振荡器
多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加触发信号，接通电源后能自动产生矩形脉冲波。
因为矩形波含有丰富的高次谐波，所以称为多谐振荡器
- 定时元件：由外接的电阻 、 和电容 构成。
- 工作原理与过程：
- 初始状态：接通电源瞬间，电容 上电压 为0，因此Pin 2 (TRIG) 和 Pin 6 (THRES) 均为低电平。此时，比较器C2输出高电平 (S=1)，比较器C1输出低电平 (R=0)，RS触发器置1，输出端 (Pin 3) 为高电平，内部放电管T截止。
- 电容充电：电源 通过 和 向电容 充电， 逐渐升高。
- 状态翻转 (高->低)：当 上升到等于 时，比较器C1的输入 (Pin 6) 大于 ，使其输出高电平 (R=1)。同时由于 ，比较器C2输出低电平 (S=0)。RS触发器复位，输出端 (Pin 3) 变为低电平，内部放电管T导通。
- 电容放电：电容 通过电阻 和导通的放电管T放电， 逐渐下降。
- 状态翻转 (低->高)：当 下降到等于 时，比较器C2的输入 (Pin 2) 小于 ，使其输出高电平 (S=1)。此时比较器C1输出仍为低电平 (R=0)。RS触发器置1，输出端 (Pin 3) 重新变为高电平，内部放电管T截止。电容 再次开始充电，重复上述过程。
充电时表达式：
放电时表达式：
振荡周期与占空比：
可以简单记忆为（需要根据实际电路改写）
- 充电时间 (输出高电平 ):
- 放电时间 (输出低电平 ):
- 振荡周期 :
- 振荡频率：
- 占空比 (高电平时间占周期的比例):
下面介绍多谐振荡器的三种改进电路：
压控振荡器 (VCO或V/F)
当在Pin 5施加控制电压 后，两个比较器的参考电压从原来的 和 变为 和 。
只能改变充电时间，不改变放电时间，依旧是：
脉冲调制波输出：
在 Pin 4 (RESET) 加入调制信号。当调制信号为高电平时，电路正常振荡；当调制信号为低电平时，电路不振荡，输出低电平。
占空比可调的多谐振荡器：
通过 分离充放电回路 来实现占空比可调。例如，充电时电流经 到电容 ；放电时电容 经 到 Pin 7。通过调节 和 可以分别改变充电和放电时间，从而调节占空比。
构成单稳态触发器
单稳态触发器在无触发信号时处于稳定状态，受触发后进入暂稳态，维持一定时间后自动返回稳态。 暂稳态的维持时间由定时元件决定。
- 工作原理与过程：
- 稳定状态：无触发时，输入端 Pin 2 (TRIG) 保持高电平 (例如通过上拉电阻接到 )。此时，比较器C2输出低 (S=0)，而由于电容C通过内部放电管接地，Pin 6 (THRES) 为低电平，比较器C1输出低 (R=0)。RS触发器状态不确定或由初始条件决定，但通常设计使输出 (Pin 3) 为低电平，内部放电管T导通，电容C保持放电状态。
- 触发：在Pin 2上施加一个下降沿触发脉冲，使其电压瞬时低于 。比较器C2输出高 (S=1)，RS触发器置1，输出 (Pin 3) 变为高电平，内部放电管T截止。
- 暂稳态：触发脉冲消失后 (Pin 2恢复高电平)，由于输出为高，放电管T截止，电源 通过外接定时电阻 向电容 充电， (即Pin 6电压) 逐渐升高。
- 返回稳态：当 上升到等于 时，比较器C1的输入 (Pin 6) 使其输出高 (R=1)。RS触发器复位，输出 (Pin 3) 变回低电平，内部放电管T导通，电容C通过放电管迅速放电，为下一次触发做准备。
- 暂稳态时间 (输出脉冲宽度 )：
- 恢复时间 ()：暂态结束到电容放完电所需时间， ，其中 是放电管的导通电阻。 恢复时间非常短暂。
- 电路必须在 之后才能接受下一次触发，否则工作会混乱。
可重触发的单稳电路：
单稳电路在第一次受触发进入暂态定时后，可以连续加入触发脉冲，每加入一次触发信号，电路的延迟时间将从原延时续读，使得暂态时间不断延续下去
该电路可以用作失落脉冲检测。例如检测人体心率是否停止，如果停止一段时间后响铃报警
电路设计：
唯一的区别在于三极管。重触发时，三极管导通，快速给电容放电；积分从零重新开始
宽脉冲输入处理
若输入触发脉冲宽度大于单稳电路的输出脉冲宽度 ，可能会出现的禁止态输入。
应在输入端串接微分电路，将宽脉冲转化为窄脉冲
电路分析：
- 关键是，起到了隔直流的作用
- 只有快速变化的信号（例如按键时的上升沿和下降沿）可以通过
- 将宽脉冲转化为窄脉冲
- 二极管D：电压钳位
- 因为比大太多的脉冲是我们不希望的（可能损坏元器件），所以用一个二极管将电压钳位
- 电阻：将2脚电压上拉到
集成单稳态触发器型号
- TTL集成单稳态触发器：
- 不可重触发：74121、74221、74LS221
- 可重触发：74122、74LS122、74123、74LS123
- CMOS集成单稳态触发器：CC14528
构成线性优良的锯齿波发生器*
- 采用恒流源对电容充电的措施，以获得线性度好的锯齿波。
- 通常利用镜像电流源技术实现恒流充电。
- 555定时器用于控制电容充电的起始和终止电压（ 和 ），当电压达到 时，555内部放电管导通使电容迅速放电，然后开始下一个充电周期。
- 充电时间（锯齿波上升时间） ，其中 为恒定充电电流。
构成斯密特触发器
斯密特触发器是一种具有回差特性的电压比较电路，有两个稳定状态。
回差特性的根源在于锁存器有一个的“保持”状态
555集成定时器构成的施密特触发器再逻辑上还是非门
- 连接方式：将555定时器的 Pin 2 (TRIG) 和 Pin 6 (THRES) 连接在一起作为共同的输入端 。
- 工作原理与特性：
- 输入电压 从小到大变化时：
- 当 (低阈值电压 )，比较器C2输出高 (S=1)，RS触发器置位，输出 为高电平。
- 当 ，RS触发器状态保持，输出 仍为高电平。
- 当 (高阈值电压 )，比较器C1输出高 (R=1)，RS触发器复位，输出 变为低电平。
- 输入电压 从大到小变化时：
- 当 从大于 开始下降，只要 ，RS触发器状态保持，输出 仍为低电平。
- 当 ，比较器C2输出高 (S=1)，RS触发器置位，输出 跳变为高电平。
- 阈值电压：
- 正向阈值电压 (上阈值)
- 负向阈值电压 (下阈值)
- 回差电压 (Hysteresis Voltage)：
波形整形：
可将边沿缓慢变化的信号整形为边沿陡峭的矩形波。
脉冲鉴幅：
只对幅度超过一定阈值的脉冲产生响应。
消除抖动：
- 利用其回差特性，可以有效滤除输入信号中的噪声和抖动。
构成振荡器：
- 与其他元件配合可构成多谐振荡器或单稳态触发器。
NOTE THAT：
- 施密特触发器组成的单稳态触发器前面也接了微分电路；上升沿时电容瞬间被充电；低电平时电容缓慢放电实现延时。
- 理论上也是可以解决宽脉冲输入的问题的
- 但是电平逻辑有所不同
习题示例
脉冲宽度调制电路
- 可以使用555定时器构成脉冲宽度调制（PWM）电路。
- 一种常见方法是将调制信号 输入到Pin 5 (CTRL)，这将改变比较器的参考电压。
- 同时，将一个周期性的三角波或锯齿波信号 输入到Pin 2 (TRIG) 和 Pin 6 (THRES)。
- 555定时器的输出 (Pin 3) 将是一个脉冲宽度随调制信号 幅度变化的PWM信号。当 在 决定的上下阈值之间变化时，输出电平翻转。
