一. 555定时器简介

1.1 概述

1.2 应用范围

1.3 结构及其工作原理

1.3.1 电路结构

1.3.2 工作原理

二. 555定时器的应用

2.1 555定时器组成施密特触发器

2.1.1 电路结构

2.1.2 工作原理

2.2 555定时器组成单稳态触发器7

2.2.1 电路结构

2.2.2 工作原理

2.3 555定时器组成多谐振荡器

2.3.1 电路结构

2.3.2 工作原理

三. 基于555定时器的救护车发声电路

3.1 工作原理

3.2 电路仿真

参考文献

555定时器简介

概述

555定时器是一种多用途的，集数字、模拟于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制和检测电路中。由于使用灵活、方便，故而在波形的产生与交换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了广泛应用。

555定时器分为双极型和CMOS两种类型，它们的结构及其工作原理基本相同岁，没有本质的区别。一般来说，双极型定时器的驱动能力较强，电源电压范围为5~16V,最大的负载电流可以达到200 mA。而CMOS定时器的电源电压范围为3~18V，最大负载电流在4 mA一下，它具有功耗低、输入阻抗高等优点。

应用范围

构成施密特触发器（双稳态模式）。此模式下，在DIS引脚空置且不外接电容的情况下，555的工作方式类似于一个RS触发器，可用于构成锁存开关。用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等。
构成单稳态触发器（单稳态模式）。在此模式下，555功能为单次触发，常用于定时延时整形及一些定时开关中。应用范围包括定时器，脉冲丢失检测，反弹跳开关，轻触开关，分频器，电容测量，脉冲宽度调制（PWM）等。
构成多谐振荡器（无稳态模式）。在此模式下，555以振荡器的方式工作，用于组成信号产生电路。这一工作模式下的555芯片常被用于频闪灯、脉冲发生器、逻辑电路时钟、音调发生器、脉冲位置调制（PPM）等电路中。如果使用热敏电阻作为定时电阻，555可构成温度传感器，其输出信号的频率由温度决定。

555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。

结构及其工作原理

电路结构

自从Signetics公司于1972年推出这种产品以后，国际上个主要的电子器件公司也都相继的生产了各自的555定时器产品。尽管产品型号繁多，但是所有双极型产品型号最后的3位数码都是555，所有CMOS产品型号最后的4位数码都是555.而且，它们的功能和外部引脚排列完全相同。

555定时器电路结构图

555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C₁、C₂、简单SR锁存器、放电三极管T_D以及缓冲器G组成，其内部结构如图 1所示。

555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空（可对地接上0.01μF\text{μF}μF 左右的滤波电压），则电压比较器 C₁ 的同相输入端的电压为 23Vcc\ \frac{2}{3}V_{\text{cc}} 32Vcc，C₂ 的反相输入端的电压为V_cc 若触发输入端 TR 的电压小于13Vcc\frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}}3 1Vcc，则比较器 C₂ 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 23Vcc\ \frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}} 3 2Vcc，同时 TR 端的电压大于13Vcc\frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}}3 1Vcc*，则 C₁ 的输出为 0，C₂ 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。*如表 1所示，为555定时器管脚的对应功能。

555定时器管脚对应功能表

  *序号*   *功能*
-------- -------------------*1*      *接地（GND）**2*      *触发输入（TRI）**3*      *输出（Vo、OUT）**4*      *复位（RESET）**5*      *控制电压（THL）**6*      *阈值输入（THR）**7*      *放电端（DISC）**8*      *电源（VCC）*

放电三极管T为外接电路提供放点电路，在使用定时器时，该三极管的集电极（7脚）一般都要外接上拉电阻。

RD‾\overline{R_{D}}RD为直接复位输入端，当RD‾\overline{R_{D}}RD 为低电平时，不管其他的输入端状态如何，其输入端V_o始终为低电平。

工作原理

555定时器功能表

如表 2所示：

当v₁₁>23Vcc> \frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}>3 2Vcc，v₁₂>13Vcc> \frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}}>3 1Vcc时，比较器C₁输出低电平，比较器C₂输出高电平，简单SR锁存器Q端置0，放电三极管导通，输出端v_o为低电平。
当v₁₁<23Vcc< \frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}<3 2Vcc，v₁₂<13Vcc< \frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}}<3 1Vcc时，比较器C₁输出高电平，比较器C₂输出低电平，简单SR锁存器置1，放电三极管截止，输出端v_o为高电平。
当v₁₁<23Vcc< \frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}<3 2Vcc，v₁₂>13Vcc> \frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}}>3 1Vcc时，简单SR锁存器R=1,S=1,锁存器状态不变，电路保持原状态不变。

555定时器的应用

555定时器组成施密特触发器

施密特触发器(反向)电路结构图
图片来自知网

工作原理

由555定时器功能表可知，当v_I<23Vcc< \frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}<3 2Vcc时，v_o输出高电平；v_I继续增加，若13Vcc<vi\frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}} < v_{i}3 1Vcc<vi<23Vcc\frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}3 2Vcc，输出v_o维持高电平不变；v_I继续增加，一旦v_I>23Vcc> \frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}>3 2Vcc时，v_o由高电平跳变到低电平。如图 3为 555定时器构成的施密特触发器工作波形及电压传输曲线。

若将施密特触发器控制电压（5脚）接V_IC，通过改变V_IC可以调节电路回差电压的大小。

555定时器组成单稳态触发器

单稳态触发器电路结构图
图片来自知网

工作原理

在没有触发信号时，v_I处于高电平（v_I>13Vcc\ > \frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}} >3 1Vcc），如果接通电源后Q = 0，v_o = 0，T导通，电容通过放电三极管T放电，使得v_c = 0 。保持低电平不变。如果接通电源后Q = 1，放电三极管T就会截止，电源通过电阻R向电容C充电，当v_c上升到23Vcc\frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}3 2Vcc时，由于R = 0，S = 1，锁存器置0，v_o为低电平此时放电三极管T导通，电容C放电，v_o保持低电平不变。因此在电路通电后没有触发信号时，电路只有一种稳定状态v_o = 0。

若触发输入端施加触发信号（v_I<13Vcc\ < \frac{\ 1}{3}V_{\text{cc}} <3 1Vcc）,电路的输出状态由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管截止。此后电容C充电，当电容C充电至v_c = 23Vcc\frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}3 2Vcc时，电路的输出电压v_o 由高电平反转为低电平，同时T导通，于是电容C放电，电路返回到稳定状态。电路工作波形如图 5。

若忽略T的饱和压降，则可以得到v_c从零电平上升到23Vcc\frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}3 2Vcc需要的时间，即为输出电压v_o的脉宽t_w

tw=RCln3≈1.1RC\begin{matrix} t_{w} = RCln3 \approx 1.1RC \end{matrix}tw=RCln3≈1.1RC

555定时器组成多谐振荡器

电路结构

工作原理

当电源接通时，电容C被充电，当v_c上升到23Vcc\frac{\ 2}{3}V_{\text{cc}}3 2Vcc时，使得v_c为低电平，同时放电三极管T处于导通状态，此时电容C通过R_2和T放电，v_c下降，当v_c下降到13Vcc\frac{1}{3}V_{\text{cc}}31Vcc时，v_o翻转为高电平。电容充电放电，循环往复，电容器C放电时间为

tpL=R2Cln2≈0.7R2C\begin{matrix} t_{\text{pL}} = R_{2}Cln2 \approx 0.7R_{2}C \end{matrix}tpL=R2Cln2≈0.7R2C

当放电结束时，T截止，V_cc将通过R_1、R_2向电容器C充电，v_c由13Vcc\frac{1}{3}V_{\text{cc}}31Vcc上升到23Vcc\frac{2}{3}V_{\text{cc}}32Vcc所需要的时间为

tpH=(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)C\begin{matrix} t_{\text{pH}} = \left( R_{1} + R_{2} \right)Cln\ 2 \approx 0.7\left( R_{1} + R_{2} \right)C\end{matrix}tpH=(R1+R2)Cln 2≈0.7(R1+R2)C

当v_c上升到23Vcc\frac{2}{3}V_{\text{cc}}32Vcc时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端会得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图 6所示。

f=1tpL+tpH≈1.43(R1+2R2)C#2.3.2.3\begin{matrix} f = \frac{1}{t_{\text{pL}} + t_{\text{pH}}} \approx \frac{1.43}{\left( R_{1} + 2R_{2} \right)C}\# 2.3.2.3 \\ \end{matrix}f=tpL+tpH1≈(R1+2R2)C1.43#2.3.2.3

电路输出波形的占空比为

q(%)=RARA+RB×100%#2.3.2.4\begin{matrix} q\left( \% \right) = \frac{R_{A}}{R_{A} + R_{B}} \times 100\%\# 2.3.2.4 \\ \end{matrix}q(%)=RA+RBRA×100%#2.3.2.4

基于555定时器的救护车发声电路
1. 工作原理

电路由两只555定时器、电阻、电容、扬声器组成，两只555定时器都工作在多谐振荡状态。555（0）的工作频率比较低，频率由555（0）的第3脚输出振荡方波，通过R₃用来控制555（1）的振荡频率。

　　因为555的第5脚控制端外接一个参考电压，可以改变触发电平值，当555（0）的3脚输出方波为低电平时，通过R₃加到555（1）的5脚，555（1）的振荡频率就变低，当555（0）的3脚输出为高电平时，555（1）的振荡频率变高，其变化的信号通过C₃，使扬声器发出高、低音交错的鸣救护车的警笛声。改变R₄、R₅、C₂的值，警笛声的频率也会发声相应的变化。

由之前得到的公式：

tpH=(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)Ct_{\text{pH}} = \left( R_{1} + R_{2} \right)Cln\ 2 \approx 0.7\left( R_{1} + R_{2} \right)CtpH=(R1+R2)Cln 2≈0.7(R1+R2)C

将参数带入，可以计算uo1的高电平持续时间为：

tpH=1.1st_{\text{pH}} = 1.1stpH=1.1s

可以得到uo1 = 11V，U_co=8.8V，U_T+=8.8V ，U_T-=4.4V。

由

T1=(R1+R2)ClnUcc−UT−Ucc−UT++R5C2ln2T_{1} = \left( R_{1} + R_{2} \right)\text{Cln}\frac{U_{\text{cc}} - U_{T -}}{U_{\text{cc}} - U_{T +}} + R_{5}C_{2}ln2T1=(R1+R2)ClnUcc−UT+Ucc−UT−+R5C2ln2

得到T₁，所以低频率 $f_{1}\ $为

f1=1T1=611Hzf_{1} = \frac{1}{T_{1}} = \ 611Hzf1=T11= 611Hz

所以uo1低电平持续时间为

tL=R2C1ln2t_{L} = R_{2}C_{1}ln2tL=R2C1ln2

得到tL=1.04st_{L} = 1.04stL=1.04s，uo1 = 0.2V，U_co=8.8V，U_T+=6V ，U_T-=3V。

同理，可得到T₂ ，继而算出高频率 f2=1T2=876Hzf_{2} = \frac{1}{T_{2}} = 876Hzf2=T21=876Hz

电路仿真

参考文献

康华光.电子技术基础------数字部分[M].第五版.高等教育出版社.2005.07：414-423.
朱红永,陈勇,王博.555定时器构成的报警电路设计[J].内燃机与动力装置,2009,(S1):65-66.
李莹.555定时器典型应用电路及其PCB设计[J].天津职业院校联合学报,2016,18(04):80-86.
邹岚.555定时器的典型电路及其实际应用[J].化工自动化及仪表,2017,44(04):406-409+414.
李君,王兆欣,宋亚姬.论电路实验在555定时器一课中的应用[J].电子测试,2018,(17):115-116.DOI:10.16520/j.cnki.1000-8519.2018.17.061
姚远香. ne555救护车警笛电路http://www.elecfans.com/d/711627.html[DB/CD]. 2018-07-17
zhouyr006救护车扬声器发声电路https://wenku.baidu.com/view/3ccd93b511661ed9ad51f01dc281e53a59025137.html [DB/CD]2019-03-30

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