电子设计教程53：555定时器工作原理与常见应用

555定时器是一种多用途的数字、模拟混合集成电路，利用它能很方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，更重要的是，它很便宜，批量成本不到5毛钱，所以555定时器在电子玩具、家用电器等许多领域中都得到了广泛应用。

555定时器原理

有很多芯片厂家都生产了自己的555定时器产品。尽管产品的型号繁多，但最后三位都是“555”。一般来说，多数555定时器的功能与外部引脚的排列都完全相同。

以NE555为例，它包含3个5K电阻，可以把电源电压分成3等份。3个5K电阻便是555定时器名称的由来。为了方便描述，我们把2个参考电压分别命名为VH与VL。如果第5脚CONT没有外接固定电压Vco，则VH=2/3Vcc，VL=1/3Vcc；否则VH=Vco，VL=Vco/2。
它还包含2个比较器，C1与C2，此处的C是比较器comparator的缩写，并不是电容。为了方便描述，我们称C1的输出电压为Vc1，C2的输出电压为Vc2。第6脚THRES接输入IN1，第2脚TRIG接输入IN2。比较器用于判断各自的输入电压与参考电压的大小。
比较器后边接RS触发器。其中第4脚RESET是触发器的复位，如果RESET接低电平，那么芯片的输出也是低电平。
RS触发器后接放电三极管Q，如果Q导通，相当于把第7脚DISCH接到GND上。触发器之后还有一个缓冲器G，作用是提高电路的带负载能力，让555的第3脚OUT能够输出较大的电流。
一般情况下，讲述555定时器的时候都要提到内部的各个器件的工作逻辑，比如RS触发器的原理：当R有效的时候，RS触发器输出低电平；S有效的时候，RS触发器输出高电平；RS触发器输出高电平的时候，三极管导通。但这种理解方式，会多绕很多弯，比如Vc1=0且Vc2=1时，相当于S有效，RS触发器会输出高电平，然而芯片最终的输出却是低电平，与RS触发器的逻辑相反。因此不如不要强调内部器件的工作逻辑，直接根据输入查表，判断输出。

555定时器接成施密特触发器

对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阈值（门限）电压。
将555定时器的2个输入端接到一起，作为1个新的输入端，即可得到施密特触发器。有时为了提高电路的稳定性，会在CONT接滤波电容。先不接外部的参考电压，则VH=2/3Vcc，VL=1/3Vcc。设输入信号为Vi。首先分析Vi从0开始逐渐升高的过程：
1.Vi<VL<VH，Vc1=0 ，Vc2=1 ，查表可知，OUT=1；
2.VL<Vi<VH，Vc1=0 ，Vc2=0 ，OUT不变，还是1；
3.VL<VH<Vi，Vc1=1 ，Vc2=1 ，OUT=0；
此后Vi继续增大，输出也不会变化，所以分析Vi从大于VH开始下降的过程：
4.VL<Vi<VH，Vc1=0 ，Vc2=0 ，OUT不变，但这次是0；
5.Vi<VL<VH，Vc1=0 ，Vc2=1 ，OUT=1。

555定时器用作单稳态触发器

所谓的单稳态，就是一个稳定状态的意思。假设最终的输出稳定为低电平，虽然在外界条件的影响下，输出可以变为暂稳态，即暂时变为高电平，但最终还是变成低电平。用单稳态的特性可以设计一个延时关闭的灯，假设灯按下去以后，不会立刻关闭，而是延时一段时间再关闭，且延时的这段时间可以自行设置。
将555定时器与RC串联形成的延时环节结合起来，可以做成单稳态触发器。把IN2作为触发信号的输入端，使用按键K1来模拟控制信号，默认情况下IN2为高电平，K1按下去的时候IN2变为低电平。将电阻R1与电容C1串联在Vcc与GND之间，阻容连接的一点接IN1与555内置的三极管集电极。输出端使用2个LED来指示电路的输出电平。构成单稳态触发器如下：

假设电路板安全上电以后，按键K1没有按下（IN2=Vcc），此时555的输出不好判断，因此可以分情况讨论。

假设555输出低电平。如果电容C1内储存有电荷，会通过已经导通了的三极管快速释放掉，所以IN1=0<VH，IN2=Vcc>VL，根据功能表，此时555的输出将保持上一个状态不变，所以这是一种稳定的状态。
假设555输出高电平。此时三极管截止，则Vcc通过电阻向电容充电，当电容的电压IN1>VH的时候，已知IN2>VL，所以555输出低电平，三极管导通，回到上一种状态。因此高电平是暂稳态，它持续的时间就是电容从开始充电，到电压大于VH的用时。
在没有触发信号的时候，555输出低电平的状态将稳定不变。如果触发脉冲的下降沿到达IN2，那么IN2<VL，同时由于IN1<VH，结果是555输出高电平，三极管截止，变成暂稳态，持续一段时间后变为稳态。
输出信号中，高电平持续的时间，就是暂稳态持续的时间，也是电容充电到VH所用的时间。这个时间可以结合RC充放电的关系计算出来，大约为1.1倍的时间常数。

以下是波形的实测，黄色是电容上的电压，蓝色是输出电压，当按下按键以后，输出高电平，电容开始充电。电容充电到一定的程度以后，输出低电平，电容放电。

555定时器用作多谐振荡器

多谐振荡器是一种自激振荡器。在接通电源以后，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上由将矩形波的振荡器称为多谐振荡器（也有资料称之为非稳态模式）。之前用施密特触发器实现了矩形波发生电路，既然555定时器可以作为施密特触发器，在此基础上，改成多谐振荡器并不困难。接下来用多谐振荡器做一个交替闪烁的双色灯。
首先，把IN1与IN2连接到一起，先做出施密特触发器。
然后，仍然以电容的电压作为输入信号，并想办法把电容的电压会维持在施密特触发器的2个阈值之间。把555的输出连接到电容上，则输出高电平的时候为电容充电，输出低电平的时候让电容放电。不过实际应用中，为了减轻555定时器的负担，用Vcc为电容充电，通过放电三极管来使电容放电。当三极管通过电阻连接Vcc时，三极管的集电极（555定时器的第7脚）的电平与555的输出其实一样。

接下来分析电容电压与555定时器输出端关系。设电容电压为Vi。首先分析Vi从0开始逐渐升高的过程：
1.Vi<VL<VH，Vc1=0 ，Vc2=1 ，OUT=1，三极管截止，Vcc通过R1与R2为电容充电，Vi逐渐升高。
2.VL<Vi<VH，Vc1=0 ，Vc2=0 ，OUT不变，还是1，电容继续充电，Vi继续升高。
3.VL<VH<Vi，Vc1=1 ，Vc2=1 ，OUT=0，三极管导通，电容通过R2与导通了的三极管放电，Vi逐渐降低。
4.VL<Vi<VH，Vc1=0 ，Vc2=0 ，OUT不变，但这次是0，电容继续放电，Vi继续降低。
5.Vi<VL<VH，Vc1=0 ，Vc2=1 ，OUT=1，回到状态1，循环往复。
通过以上分析可以看出，电容上的电压将在VH与VL之间反复振荡，555定时器的输出在电容充电期间为高电平，在电容放电期间为低电平。
当电容充电时，电阻值为R1+R2。电容放电时，电阻值为R2，充放电时间与电阻的阻值成正比，所以，此电路的占空比始终大于50%。如果希望得到小于或者等于50%的占空比，可以利用二极管的单向导电性，使得充电与放电经过不同的路径。如下图改进电路：

充电时间T1正比于W1×C1（忽略二极管的电阻，应用一阶RC电路三要素法可以算出T1= W1×C1×ln 2），放电时间T2正比于W2×C1（T2= W2×C1×ln 2），输出脉冲的占空比为：

如果W1=W2，那么电路的占空比就是50%。调节W1与W2的大小，也可以改变电路的振荡周期。

以下是输出波形实测。

把电路的输出端接LED，当改变电路的占空比时，LED亮起来的时间会改变。由于人的眼睛有视觉暂留，如果电路的振荡频率非常高，可以做成亮度可调的LED灯。