時基電路555上跳沿觸發單穩態電路設計

戴伏生

(哈爾濱工業大學(威海校區) 信息與電氣工程學院， 山東 威海 264209)

時基電路555上跳沿觸發單穩態電路設計

戴伏生

(哈爾濱工業大學(威海校區) 信息與電氣工程學院， 山東 威海 264209)

本文介紹一種時基電路555上跳沿觸發單穩態電路設計方法。首先，對電路的工作原理進行分析并討論了電路工作參數計算方法。然后，通過仿真和實物實驗，驗證了該設計方法的正確性。最后，闡明該電路與下跳沿觸發單穩態電路相比較的特點。

脈沖電路；單穩態觸發器；時基電路555

0 引言

由于集成時基電路555具有構思奇巧、工作可靠性高、適應電源范圍寬、輸出驅動能力強等特點，用途非常廣泛，到目前為止仍是電子技術領域應用的熱門器件之一。上世紀八十年代國內就把它作為經典電子器件引入到電子技術類教材之中，并詳細介紹其原理以及一些典型基本應用電路[1]。然而，檢索國內外文獻后發現，在過去的幾十年當中，有關利用該器件構建單穩態觸發器應用電路方面，側重討論和使用的均是下跳沿觸發單穩態電路[2,3]，而對于上跳沿觸發單穩態電路，不知由于何種原因，既未對其原理進行詳細討論，也沒有見到被應用的實例。既然該器件已被引入到教材之中，就需要完整地體現出全部其典型基本應用電路形式，因此，有必要把被遺漏幾十年的利用時基電路555設計上跳沿觸發單穩態電路方案推薦出來開展討論，力圖更進一步擴大時基電路555應用范圍。

1 時基電路功能及典型應用電路

圖1 時基電路555內部原理結構

圖2時基電路555常用的基本應用電路

2 上跳沿觸發單穩態電路工作原理

基于集成時基電路555設計的上跳沿觸發單穩態電路如圖3所示。其中，電阻R1和電容C為確定暫穩狀態持續時間長短的定時器件；電阻R2為上拉電阻，如圖1所示，由于時基電路555內部晶體三極管TD集電極開路，因此對外引腳輸出需配備此上拉電阻；二極管D并不是單穩態電路必須采用的器件，主要作用是當暫穩態結束后為了快速恢復到穩定狀態而添加的輔助器件，若實際觸發信號間隔較大時，二極管D完全可以省略?？刂齐妷狠斎攵?號引腳所接的0.1 μF電容，主要起到防止外接干擾參考電壓的濾波作用，若電路工作環境良好，省略電容C使引腳懸空不會影響電路功能。電路工作原理詳細分析如下。

圖3上跳沿觸發單穩態電路

2.1 穩定狀態下各關鍵點的電平分析

外部的觸發信號ui從6號引腳輸入，非觸發時ui≈0 V。無論是通過圖1時基電路555內部原理結構分析，或者是利用時基電路555的功能表1分析，圖3所示的上跳沿觸發單穩態電路在穩定狀態情況下，輸出的3號引腳保持uo≈Vcc，同時輔助輸出端7號引腳內部連接的晶體管TD保持截止狀態。電容C對地電位同時也是2號引腳輸入信號保持uc≈Vcc。

若穩定狀態下各關鍵點狀態不符合上述情況，則電路通過自身調整會自動恢復到穩定狀態。例如，假設輸出uo≈0、電容C對地電位uc>Vcc/3。此時輔助輸出端7號引腳內部連接的晶體管TD對地必然處于導通狀態。這種情況下電容C將經過電阻R1并通過7號引腳內部連接的晶體管TD到地構成放電回路?？紤]到6號引腳非觸發時輸入電壓ui≈0V<2Vcc/3，當電容C放電到對地電位uc

2.2 信號一次觸發過程電路動作分析

當輸入觸發信號ui>2Vcc/3的上跳沿到來時，由于電容C兩端的電壓uc≈Vcc不能突變，此刻6號和2號引腳的電平狀態是：6號引腳電平′ui>2Vcc/3、3號引腳電平uc≈Vcc>Vcc/3，根據功能表1，電路狀態將由穩定狀態轉進入暫穩定狀態，此時的狀態為：作為輸出的3號引腳為低電平狀態uo≈0，同時輔助輸出端7號引腳內部連接的晶體管TD對地處于導通狀態。這種情況下電容C將經過電阻R1并通過7號引腳內部連接的晶體管TD到地構成放電回路，uc將由uc≈Vcc逐漸下降，且uc在下降到Vcc/3之前，無論輸入觸發信號ui是什么電平，電路將維持暫穩狀態，uc會繼續下降，即暫穩狀態持續的長短與ui高電平寬窄無關，因此該觸發器屬于上跳沿觸發模式。一旦uc下降為Vcc/3時刻，根據功能表1可以判斷出3號引腳輸出將變為高電平uo≈Vcc，同時輔助輸出端7號引腳內部連接的晶體管TD將變為截止狀態，此刻電路結束了暫穩狀態，之后進入穩定狀態恢復過程。

通過上述對暫穩狀態的電路動作分析，并利用電路原理當中的一階電路三要素法計算公式uc(tw)=uc(∞)+[uc(0)-uc(∞)]e-twτ1，可計算出暫穩狀態持續時間。其中uc(0)=Vcc、uc(∞)=0、uc(tW)=Vcc/3、τ1=R1C，得到暫穩狀態持續時間tW=R1Cln3≈1.1R1C。

2.3 暫穩狀態結束電路恢復過程分析

進入穩定狀態恢復過程主要體現是對電容C進行充電，由快速充電和逐漸充電兩個階段組成。第一階段的快速充電主要是指，電源通過電阻R2及二極管D對電容C進行快速充電，電容C的對地電位將迅速升高，當充電至uc≥Vcc-VDon時二極管D將進入死區，其中VDon為二極管的開啟電壓。此后穩定狀態恢復進入第二階段的逐漸充電過程。第二階段電路動作主要是電源通過電阻R2及R1串聯電路對電容C繼續進行充電。對電容C充電最終結果為uc≈Vcc。

依據上述分析，并利用三要素計算公式uc(tr1)=uc(∞)+[uc(0)-uc(∞)]e-tr1/τ1，對電路恢復時間進行估算，在第一階段的快速充電時有：uc(0)=Vcc/3、uc(∞)=Vcc、uc(tr1)=Vcc-VDon、τ2≈(R2+rd)C，rd為二極管導通時的等效內電阻。利用三要素計算公式得到快速充電階段所需時間為tr1≈(R2+rd)Cln(2Vcc/3VDon)。由于二極管導通時的等效內電阻rd不固定，且隨著對電容C充電過程由小變大，為便于計算并依據實驗結果，快速充電階段所需時間可按照tr1≈2.2R2Cln(2Vcc/3VDon)公式進行估算。在逐漸充電的第二階段，電源通過電阻R2及R1串聯對電容C充電是從uc(tr1)=Vcc-VDon開始，最終充電結果為uc≈Vcc，即Δuc(tr2)≈VDon。理論上所需時間為tr2=∞，實際上當經過tr2≈3(R2+R1)C，對電容C充電基本結束。通過上述分析，電路完全恢復到穩定狀態所需時間為tr≈tr1+tr2≈2.2R2Cln(2Vcc/3VDon) +3(R2+R1)C。

3 上跳沿觸發單穩態電路的驗證

按照圖3所示原理電路，利用OrcadPspice電路仿真軟件對所設計的上跳沿觸發單穩態電路進行驗證，分別驗證寬脈沖觸發和窄脈沖觸發，電路參數為C=10 uF、R1=10kΩ、R2=1kΩ，二極管D選用1N4148，其VDon≈0.5V，電源電壓Vcc=5V。仿真結果如圖4所示。

按照上節原理分析方法計算，可得到暫穩態持續時間tW=R1Cln3≈1.1R1C≈110ms，電路完全恢復到穩定狀態所需時間tr≈tr1+tr2≈2.2R2Cln(2Vcc/3VDon)+3(R2+R1)C≈41.7+330=371.7ms。計算結果與仿真結果一致，從仿真角度表明單穩態電路設計方法的正確性。再此基礎上，按照圖

(a)寬脈沖觸發

(b)窄脈沖觸發圖4 上跳沿觸發單穩態電路仿真結果

3所示原理電路搭建實際電路進行檢測驗證。其中，器件選用NE555，電容C和電阻R的參數分別按照常用的E-12和E-24標稱值系列選取。利用自帶信號源的安捷倫DSOX2002A數字示波器進行測

試，考慮到元器件電容C和電阻R標稱值與實際值的誤差，其實驗結果與理論計算結果及仿真結果一致。通過實驗檢測，進一步了證明所推薦的基于時基電路555設計上跳沿觸發單穩態電路方法的正確性。

4 結語

本文提出一種基于時基電路555上跳沿觸發單穩態電路的設計方法，理論分析和仿真及實物實驗證明，該電路為上跳沿觸發模式的觸發器。該單穩態電路與時基電路555構成的下跳沿觸發電路相比，兩者多數特點相似，但是下跳沿觸發電路要求觸發脈沖必須小于暫穩態持續時間，而推薦的上跳沿觸發單穩態電路不用考慮輸入觸發脈沖寬窄問題，因此在對輸入信號的約束方面，推薦的上跳沿觸發單穩態電路更具有優勢，因此該電路用于解決實際問題沒有任何不妥之處。通過以上討論留給讀者的啟迪是，要善于分析并充分發揮每種電子器件獨有特點去解決實際問題，本文介紹的上跳沿觸發單穩態電路，就是充分發揮時基電路555本身的特點而設計出來的，這也是創新方式的一種體現。電子技術基礎課程當中有很多類似的問題需要讀者們思考，撰寫該文的目的是能給讀者們提供啟發和借鑒，希望本文能起到拋磚引玉之效果。

[1] 清華大學電子教研組. 數字電子技術基礎簡明教程[M]. 北京: 高等教育出版社, 1985.

[2] 陳有卿, 葉桂娟. 555時基電路原理、設計與應用[M]. 北京: 電子工業出版社, 2007.

[3] 張慶雙, 555應用電路精選[M]. 北京:機械工業出版社, 2010.

[4] 閻石. 數字電子技術基礎(第五版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[5] 楊春玲, 王淑娟. 數字電子技術基礎[M]. 北京: 高等教育出版社

The Design of Posedge Trigger Monostable Circuit Based on 555 Time-Based Circuit

DAI Fu-sheng

(Schoolofinformationandelectricalengineering,WeihaiCampus,HarbinInstituteofTechnology,Weihai264209，China)

To develop the application of 555 time-basd ecircuit, this paper recommens a design method with rising edge trigger and monostable circuit. Firstly, the working principle of the circuit is analyzed and the computing methods of the parameters of the circuit are discussed. Secondly, the correctness of the recommend method is verified by simulation and practicality experiment. Finally, the characteristics of the circuit are compared with the falling edge trigger and monostable circuit.

pulse circuit; monostable trigger; 555 time-based circuit

2016-06-06;

2016-08- 03

哈爾濱工業大學(威海)教學研究項目(ITDA10002101)

戴伏生(1963-)，男，教授，主要從事通信電子系統方面的教學和研究工作，E-mail: dfs1963@163.com

TN782+.1

A

1008-0686(2017)03-0118-04