555定时振荡器也就是通常所说的555定时器。555定时器的用途非常广泛，可以生成各种类型的脉冲、创建时间延迟，也可以用于脉冲宽度调制（PWM），555定时器最常见的用途是为电路产生时钟信号。

        本文对555定时器以及基于555定时器的多谐振荡器应用的原理进行了细致的讲解，并且分别进行了仿真验证以及实物验证。

一、555定时器的结构和工作原理

1.1、 电路结构

      图1所示为555集成定时器的电路结构图，555定时器电路由五个部分组成：

图1.1 555定时器结构图

     （1）由三个阻值为5k的电阻组成电阻分压器，为电压比较器C1和C2提供基准电压Vr1和Vr2；当5脚CO悬空时，Vr1=(2/3)Vcc，Vr2=(1/3)Vcc。CO为控制电压输入端，可在此外加控制电压改变基准电压值。CO端不用时,外接 0.01uF 的去耦电容，以消除干扰，保证基准电压不变。

       (2) 集成运算放大器组成两个电压比较器C1和C2，每个电压比较器两个输入端标有“+”号和“-”号:

图1.2 运放符号

        当v+>v-，比较器输出vo=1;

        当v+<v-,比较器输出vo=0.

        (3)基本SR触发器，其置0端(R端)和置1端(S端)均为低电平有效触发，RS的值取决于比较器的输出(R=Vc1,S=Vc2)。

        (4)放电三极管 T,相当于一个受控电子开关；当输出OUT为0时，T导通；输出OUT为1时，T截止。
        (5)输出缓冲器G3和G4，主要用于提高电路的带负载能力,同时也隔离了负载对定时器的影响。

1.2、 引脚功能

        由图1.3可知555定时器各引脚端如下:

图1.3 555定时器引脚图

        1端GND为接地端；
        2端TR为低电平触发端，也称为触发输人端，由此输入触发脉冲。
        3端OUT为输出端，输出电流可达 200mA，可直接驱动继电器发光二极管、扬声器等。
        4端R为复位端，当R=0时，输出OUT为低电平，正常工作时，R必须接高电平。

        5端CO为电压控制端，如果在CO端另加控制电压，则可改变比较器C1、C2的基准电压，工作中不使用 CO端时，一般都通过一个0.01uF 的电容接地，以消除干扰。
        6端TH为高电平触发端,又叫阈值输入端,由此输入触发脉冲。
        7端D为放电端。
        8端Vcc为电源端，可在4.5~16V范围内使用，若为CMOS电路,则Vcc=3~15V.

1.3、工作原理

        当 555 定时器的复位端R 为低电平时,不管其他输人端的状态如何，输出 OUT始终为低电平,放电三极管 T饱和导通。这说明其在 555 定时器电路的输人端中的控制级别最高。正常工作时,一般应将其接高电平。

        当复位端R为高电平,且 5脚 CO端不使用外接控制电压时,比较器 C1和C2的比较电压分别为 Vr1=2/3Vcc和Vr2=1/3Vcc,工作状态将受阈值输入、触发输入的影响：

      （1）当TH>2/3Vcc,TR>1/3Vcc时,比较器C1输出Vc1为低电平,C2输出Vc2为高电平，基本 SR 触发器置0端有效,被置 0,放电三极管T导通,输出端OUT为低电平。

        (2) 当TH<2/3Vcc,TR<1/3Vcc时,比较器 C1输出 Vc1为高电平,C2输出 Vc2为低电平,基本 SR 触发器置 1端有效,被置 1,放电三极管T截止,输出端 OUT为高电平。

        (3) 当TH<2/3Vcc,TR>1/3Vcc时,比较器 C1输出 Vc1为高电平,C;输出Vc2也为高电平,即基本 SR 触发器 R=1,S=1,触发器状态不变,电路亦保持原状态不变。

        由于阈值输入端 TH为高电平(>2/3Vcc)时，555 定时器输出OUT 为低电平,因此也将该端称为高电平触发端(或称高触发端)。而触发输入端TR为低电平(<1/3Vcc) 时,555定时器输出 OUT 为高电平,因此也将该端称为低电平触发端(或称低触发端)。

        如果在电压控制端 CO(5 脚)施加一个外加电压(其值在0~Vcc之间),则比较器的基准电压将发生变化,电路相应的阈值、触发电平也将随之变化，进而影响整个电路的工作状态。

1.4、原理总结

表 1 .2所示为 555 定时器的功能表,由电路框图和功能表可以得出如下结论：

表1.2 555引脚功能表

阈值输入(TH)	触发输入(TR)	复位(R)	输出(OUT)	放电管T
X	X	0	0	导通
<2/3Vcc	<1/3Vcc	1	1	截止
>2/3Vcc	>1/3Vcc	1	0	导通
<2/3Vcc	>1/3Vcc	1	不变	不变

        (1)555 定时器有两个阈值,当CO端悬空不用时,它们分别是2/3Vcc和1/3Vcc。

        (2)输出端 3 脚和放电端 7脚的状态一致,输出低电平对应放电管饱和导通，输出高电放平对应放电管截止。
        (3)输出端状态的改变有滞回现象,回差电压为1/3Vcc.

        (4)输出与触发输入反相，可简记口诀“都大为0,都小为 1,一大一小保持不变“，以帮助理解 555定时器的输人输出关系。
        掌握以上四条，对分析 555 定时器组成的电路将十分有利。

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二、555定时器构成多谐振荡器

2.1、 电路组成及其工作原理

        图2.1(a)所示为555定时器构成的多谐振荡器电路，电阻R1、R2和电容C是外接定时元件。5脚CO端通过一个0.01uF的电容接地，在工作中不使用外接控制电压。

电路的工作原理如下:

     （1）接通电源Vcc后,Vcc经电阻R1和R2，对电容C进行充电，使vc逐渐升高，当vc上升到2/3V时，555定时器内比较器C1的输出，即基本SR触发器的R跳变为低电平，比较器C2的输出即基本SR触发器的S端跳变为高电平,使基本SR触发器置0有效，输出端OUT即vo=0，放电管T导通。

     （2）电容 C通过电阻R2和7脚的放电管T放电,使vc下降。当vc下降到1/3Vcc时，比较器C1的输出即基本 SR触发器的R端跳变为高电平，比较器C2的输出即基本SR触发器的S端跳变为低电平,使基本SR触发器置1有效，输出端OUT即vo又由0变为1,放电管T截止。

     （3）Vcc又经R1和R2再次对电容C进行充电,使vc再次升高。如此重复上述过程,周而复始,在输出端vo就产生了连续的矩形脉冲。电路的工作波形如2.1(b)
所示。

                （a）多谐振荡器电路图                                                                          （b）工作波形

                                                              图2.1 用555定时器构成的多谐振荡器

2.2、 主要参数计算

估算多谐振荡器有两个暂稳态,持续时间分别为tp1和tp2；

电容 C充电的时间为：

电容C放电的时间为：

因此,输出矩形波的振荡周期为：

振荡频率为：

脉冲宽度与周期之比称为占空比q：

三、多谐振荡器验证与实现

3.1、multisim 仿真

        在上述理论中，相信你已经对555定时器已经有了一定的了解，现在我们通过仿真先验证一下电路的可行性。如图3.1所示，在multisim中加入了555定时器以及其他定时元件电阻电容等，本实验中充放电电容选用的是100nF，电阻R1为1K，R2为20K，并加入示波器观测波形。

图3.1.1 multisim 电路图

        如图3.2所示，为上述电路中555定时器产生的波形图，已知时基的标度为10ms/div，一个div大概有3.5个周期的波形，因此该波形一个周期大概是10/3.5=2.857ms。

        再让我们根据2.2中周期的波形计算公式来计算一下：

        0.7*(1000+2*2000)*0.0000001=0.00287s，也就是2.87ms，与实际得到的结果基本一致。

图3.1.2 multisim 仿真波形图

3.2、电路板设计

        仿真通过了，下面就是上板子！嘉立创每个月提供的两次免费打样的活动，让我告别了手动飞线。并且立创EDA确实好用，有很多云端器件库，大大提高了设计的效率（为国产EDA软件点赞）。

        图3.2.1是多谐振荡器设计的原理图，可以看见电路非常简单，在电路中我还加入了一个TYPE-C端口用来给电路供电，以及一个电源指示灯，另外我将R2改成了一个可调电位器，这样就可以手动调节R2的大小，以便于调节波形的频率。

图3.2.1 原理图设计

本电路PCB设计没有什么特殊的要求，布局布线尽量按照原理图中的来即可。

图3.2.2 PCB设计

3.3、实物验证

    焊接后的板子与3D仿真图基本一致，下面开始用示波器测试波形。

图3.3.1 实物图

        将板子通过数据线连接到示波器的USB口进行供电，并将探头连接到板子的信号输出上，可以看见示波器立刻显示了一个方波，频率为547Hz.

图3.3.2 实物测试1

        将电位器朝着增大的方向旋转，增加阻值，直到旋转到频率不变时，电位器达到最大阻值20K，此时示波器显示频率为325Hz，再回顾3.1中计算的周期为2.857ms，对应的频率为1/T=1/0.00287=348.432Hz，实物与理论结果基本一致（产生偏差很正常，电位器可能存在微弱偏差，导线中也有一定阻抗，都会影响频率的输出结果）。

图3.3.3 实物测试2

        将电位器朝减小方向旋转，随着电阻R2的减小，电容充放电时间加快，因此输出频率增大，在频率达到8.567KHz时，可以看见波形的占空比也明显增大。因此如果想产生占空比为50%的时钟信号时，应保证R2>>R1。

图3.3.4 实物测试3

四、总结

        本文对555定时器电路结构以及多谐振荡器的电路原理进行了细致的讲解，并且进行了仿真、上板的手段进行了验证，555定时器作为大家学习数字电路过程中的一门必修课，有很多同学可能一直对这款芯片产生困惑。然而理论结合实践的方式才是学习的最佳方式，希望本文能给读者带来一些帮助。仿真和电路设计工程文件由于比较简单，我暂时不放出来了，有需要的同学可以在评论区留言，如果需求的比较多的话，我会免费将工程文件上传到资源中。