一、实验目的
(1)熟悉555型集成时基电路的电路结构、工作原理及其特点。
(2)掌握555型集成时基电路的基本应用。
二、实验仪器
(1)数字逻辑电路实验箱
(2)数字万用表，双踪示波器，频率计
(3)芯片NE555
(4)二极管1N4148两个，10kΩ、20kΩ、47kΩ、100Ω电阻各一个，4．7kΩ、51kΩ各两个，0．01μF独石电容两个，0．047μF、0．1μF独石电容各一个，47μF、10μF、4．7 μF铝电解电容各一个，100kΩ电位器一个
三、实验原理
555集成时基电路称为集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。它的内部电压标准使用了三个5kΩ的电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，两者的工作原理和结构相似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556; 所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，两者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器，556和7556是双定时器。双极型的电压是+5～+15V，最大负载电流可达200m A，CMOS型的电源电压是+3～+18V，最大负载电流在4m A以下。
1．555电路的工作原理
555电路的内部电路方框图如图2－19－1所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关Td，比较器的参考电压由三只5kΩ的电阻器构成分压，它们分别使低电平比较器Vr1同相输入端和高电平比较器Vr2的反相输入端的参考电平为2/3VCC和1/3VCC。Vr1和Vr2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过2/3VCC时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通; 当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时充电，开关管截止。
图2－19－1 555定时器内部框图
RD是异步置零端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。Vro是控制电压端(5脚)，平时输出2/3VCC作为比较器Vr1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0．01μF的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。Td为放电管，当Td导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。
2．555定时器的典型应用
(1)构成单稳态触发器
图2－19－2为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管Td导通，输出端VO输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端，并使2端电位瞬时低于1/3VCC，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，VC按指数规律增长。当VC充电到2/3VCC时，输出VO从高电平返回低电平，放电开关管Td重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的到来作好准备。波形图见图2－19－3。
图2－19－2 555构成的单稳态触发器
图2－19－3 单稳态触发器波形图
暂稳态的持续时间Tw(即为延时时间)决定于外接元件R、C的大小，即Tw=1．1RC。
通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。
(2)构成多谐振荡器
如图2－19－4所示，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端DC放电，使电路产生振荡。电容C在2/3VCC和1/3VCC之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图2－19－5所示。
图2－19－4 555构成多谐振荡器
图2－19－5 多谐振荡器的波形图
输出信号的时间参数是:
其中，tw1为VC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时间，tw2为电容C放电所需的时间。
555电路要求R1与R2均应不小于1kΩ，但两者之和应不大于3．3MΩ。
外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。
(3)组成占空比可调的多谐振荡器
电路如图2－19－6所示，它比图2－19－4所示电路增加了一个电位器和两个二极管。D1、D2用来决定电容充、放电电流流经电阻的途径(充电时D1导通，D2截止; 放电时D2导通，D1截止)。
图2－19－6 555构成占空比可调的多谐振荡器
(4)组成占空比连续可调并能调节振荡频率的多谐振荡器
电路如图2－19－7所示。对C1充电时，充电电流通过R1、D1、RW2和RW1，放电时通过RW1、RW2、D2、R2。当R1=R2、RW2调至中心点时，因为充放电时间基本相等，其占空比约为50%，此时调节RW1仅改变频率，占空比不变。如RW2调至偏离中心点，再调节RW1，不仅振荡频率改变，而且对占空比也有影响。RW1不变，调节RW2，仅改变占空比，对频率无影响。因此，当接通电源后，应首先调节RW1使频率至规定值，再调节RW2，以获得需要的占空比。
图2－19－7 555构成占空比、频率均可调的多谐振荡器
(5)组成施密特触发器
电路如图2－19－8所示，只要将脚2和6连在一起作为信号输入端，即得到施密特触发器。图2－19－9画出了VS、Vi和VO的波形图。
设被整形变换的电压为正弦波VS，其正半波通过二极管D同时加到555定时器的2脚和6脚，得到的Vi为半波整流波形。当Vi上升到2/3VCC时，VO从高电平转换为低电平; 当Vi下降到1/3VCC时，VO又从低电平转换为高电平。
图2－19－8 555构成施密特触发器
图2－19－9 555构成施密特触发器的波形图
四、实验内容
1．单稳态触发器
(1)按图2－19－2所示连线，取R=100kΩ，C=47μF;
(2)把电路的输入端Vi接到“负脉冲”输出点，输出端VO接到实验箱上逻辑电平显示单元;
(3)按下负脉冲产生按钮，观察输出信号VO所对应的逻辑电平显示单元上指示灯的变化情况;
(4)把示波器调节到“DC”工作模式，观测按下“负脉冲”产生按钮后，Vi，VC，VO的变化情况，测定各信号的幅度与输出暂稳态的时间;
(5)将R改为1kΩ，C改为0．1μF，输入信号改为1k Hz的连续脉冲，观测Vi，VC，VO波形，测定各信号的幅度与输出暂稳态的时间。
2．多谐振荡器
按图2－19－4所示接线，用双踪示波器观测信号VC与VO的波形，并测定频率。
3．占空比可调的多谐振荡器
按图2－19－6所示接线，RW选用10kΩ电位器，用示波器观测信号VC、VO的波形，并记录波形的参数。
4．占空比连续可调并能调节振荡频率的多谐振荡器
按图2－19－7所示接线，C1选用0．1μF，用示波器观测输出波形，调节RW1和RW2观察输出波形变化的情况。
5．施密特触发器
按图2－19－8所示接线，输入信号Vi选择频率为1k Hz左右的正弦波，幅度接近5 V，调节10kΩ电位器，用示波器观测输出信号的波形。
6．多频振荡器实例——双音报警电路
(1)按图2－19－10所示连接线路;
图2－19－10 双音报警电路
(2)分析它的工作原理及报警声特点。
将图中右边555芯片的第3脚接到实验箱上的音频输入插孔，试听输出的报警声，并记录各输出点的波形。
若将前一级555芯片的低频信号输出连接到后一级的控制电压端5，报警声将会如何变化? 自行改接电路，观察实验结果。
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