内容介绍

实验介绍

555时基电路是一种集模拟功能与逻辑功能于一身的中规模集成电路，555时基电路有双极型和MOS型两种。NE555双极型的内部电路如图1所示，该电路中R3 R4 R5为三个阻值为5KΩ的电路，故得名为NE555。

图1

NE555内部电路的简化原理图如图2所示，电路包括两个电压比较器（C1 C2），一个RS触发器，一个输出缓冲器（A），一个对外计时放电的晶体管（T28），以及三个阻值为5kΩ的电阻组成的电压参考电路。NE555包含8个引脚，各引脚的功能如下表所示：

图2

引脚编号	名称	功能
1	GND-地	接地
2	TRIG-触发	引脚电压低于1/3 VCC时，C2输出高电平
3	OUT-输出	经过缓冲器的输出
4	RESET-复位	接地时芯片复位，输出低电平
5	CONT-控制	芯片的控制电压，默认为内部偏置2/3 VCC
6	THR-阈值	引脚电压高于2/3 VCC时，C1输出高电平
7	DISCH-放电	电容放电
8	VCC-电源	为芯片供电

利用555可以构成如图3所示的RC多谐振荡器，该电路分为充电和放电两个过程：充电过程时，电容C通过R1 R2来进行充电。当电容上的电压达到2/3 VCC时，比较器C1触发导通放电晶体管，NE555输出低电平；放电过程时，电容C通过R2来放电，当电容C上的电压下降到1/3 VCC时，比较器C2触发关闭晶体管电容开始充电，NE555输出高电平。充电过程反复循环，最后在输出端呈现一个周期性变化的波形。多谐振荡器中的定时元件为R1、R2 和C，多谐振荡器的振荡周期为： $T = (R_{1} + 2 R_{2}) C ln 2 \approx 0.693 (R_{1} + 2 R_{2}) C$ ，方波占空比为： $D = \frac{R _{2}}{R _{1} + 2 R _{2}}$ 。

图3

实验步骤

1、搭建NE555内部电路，接通电源电压；

2、使用外围元件搭建多谐振荡器，用示波器观察电路输出波形，并记录；

3、改变阻值测量不同情况下输出波形的周期和占空比。

电路仿真

本电路使用Tina进行电路仿真，仿真文件见4_5.TSC，仿真电路如下图所示。将NE555内部电路中的差分对与电流镜全部使用匹配对管DMMT3904/3906，其它部分保留分立三极管2N3904/3906，搭建多谐振荡电路进行零状态瞬态仿真。

图4

瞬态测试：设置R1=1KΩ，R2=100KΩ，C=10nF，此时计算而得谐振周期为1.39ms，占空比约为50%。测试得到周期为1.47ms，占空比48.57%，与理论计算相符。

图5

瞬态测试：设置R1=50KΩ，R2=100KΩ，C=10nF，此时计算而得谐振周期为1.73ms，占空比约为60%。测试得到周期为1.81ms，占空比58%，与理论计算相符。

图6

板卡设计

使用立创EDA专业版设计板卡原理图与PCB，该板为双层板，尺寸82mm*50mm。原理图、PCB与实物图如下所示，源文件可见附件4_5.epro。

图7

图8

图9

实验测试

按照下图连接板卡与ADALM2000，示波器通道1+连接到NE555输出端口OUT，供电由ADALM 2000提供。

图10

当R1=1KΩ，R2=100KΩ，C=10nF时，测得输出时钟周期为1.405ms，占空比50%。与仿真的1.47ms，占空比48.75%相符。

图11

当R1=51KΩ，R2=100KΩ，C=10nF时，测得输出时钟周期为1.728ms，占空比60%。与仿真的1.81ms，占空比58%相符。

图12

总结

NE555是历史上应用最为广泛的数字芯片，该芯片内部由两个比较器、电阻分压器、RS触发器、输出缓冲器与放电管组成，常被用在定时、振荡、延迟等应用中。本实验通过搭建NE555芯片内部电路，并通过外接两颗电阻与一颗电容来构建多谐振荡器，同时借助ADALM 2000进行调试。最终实现了R1=1KΩ、R2=100KΩ、C=10nF时1.4ms的振荡频率与50%的占空比；R1=51KΩ、R2=100KΩ、C=10nF时1.728ms的振荡频率与60%的占空比，均与仿真相吻合。

参考文献

1、555定时器芯片内部电路分析

2、NE555定时器