555定时器典型应用电路及其PCB设计

李　莹

(天津市河东区职工大学，天津　300162)



555定时器典型应用电路及其PCB设计

李莹

(天津市河东区职工大学，天津300162)

摘要：针对PCB教学中因忽略电路原理分析而使学生盲目进行PCB学习的问题，提出了相应的解决方法。即总结归纳了555定时器三个典型应用电路，并对其工作原理进行了分析，最后给出这些典型电路相应的PCB设计。文本所提及的教学设计能够使学生较快地掌握PCB设计方法，并对PCB学习产生浓厚的学习兴趣，可供教师作为教学参考，同时也为课程整合提供了一些思路。

关键词：555定时器；应用电路；PCB设计

引言：

理解电路的工作原理及功能，是分析、设计及制作电路的首要基础和先决条件。而在教学实践中笔者发现，许多关于PCB设计与制作课程的教材都侧重于分析讲解如何去绘制出PCB原理图并在此基础上设计出PCB图，而忽略对电路本身原理的分析。所以教师在PCB设计的教学中，通常也会忽略这方面内容的介绍，再加之教材中选择的实例都过于复杂，使得学生只能盲目地去学习PCB制图，形成为学制图而制图的现象。这样做的结果是：违背了电路设计与制作的初衷，降低了PCB的教学效果，从而也影响到学生设计制作电路的积极性。

为了解决上述出现的问题，本文提供了相应的解决方法，即给出PCB设计课程第一节课的教学设计，教师可以以此为思路，完善今后的PCB教学。本文将《数字电子技术》与《PCB设计与制作》两门课程相结合，选用了《数字电子技术》中所介绍的应用得非常广泛的器件之一——555定时器及其构成的典型电路作为PCB设计的对象，文中详细介绍了这几种典型电路的工作原理，并在此基础上进行了PCB设计。之所以选择555定时器的典型电路作为PCB设计对象，原因在于：这些电路相对比较简单，易于学生理解分析电路工作原理，绘制起来也相对容易；此外，555定时器是一种将模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路，用它可以设计出来各种不同用途的电路。由于它性能优良，使用起来方便灵活，因而在电子玩具、家用电器等许多领域都得到广泛的应用。

下面，首先介绍555定时器的功能，然后总结归纳出三种555定时器的典型应用电路，并对其工作原理进行分析，最后给出这些典型电路相应的PCB设计。

一、555定时器的电路组成及工作原理

555集成时基电路又称为集成定时器或时基电路，因集成电路内部含有3个5kΩ电阻而得名。用它可以方便地构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器。

(一)555定时器的电路组成

555定时器主要由3个5kΩ电阻组成的分压器、2个电压比较器C1和C2、1个由G1和G2组成的基本RS触发器、缓冲器G4和放电三极管TD组成。图1为555定时器原理电路图。

图1　555定时器原理电路图

(二)工作原理

综上所述，可得到555定时器功能表，如下表1所示。

表1　555定时器功能表

二、555定时器典型应用电路及其PCB设计

我选择Protel 99SE 对555定时器的三种典型应用电路进行PCB设计。Protel 99SE是常用电路设计软件之一，它的功能十分强大，具备原理图设计、印制电路板(PCB)设计与布线、仿真分析等多种功能，在电子电路设计领域占有非常重要的地位。

(一)555定时器组成的单稳态触发器——触摸开关电路

1.555定时器组成的单稳态触发器的工作原理

图2　由555定时器组成的单稳态触发器(a)电路图　　(b)工作波形

2.触摸开关电路

(1)电路组成

触摸开关电路是555组成的单稳态触发器的典型应用电路之一，其电路组成如图3所示。

图3　触摸开关电路

(2)工作原理

(3)PCB设计

图4　触摸开关电路的原理图设计

图5　触摸开关电路的PCB设计

触摸开关电路的PCB设计过程如下：

打开原理图编辑器，绘制电路原理图，如图4所示；

生成网络表；

打开PCB编辑器，确定电路板类型，此电路选择单面板，并进行电路板边界的规划，此电路设计电路板长40mm，宽35mm；

载入网络表；

进行元器件布局，布局效果如图5所示；

设置布线规则，此电路将电源线和地线加宽，最大线宽设置为2mm，默认线宽设置为1mm；

进行电路板布线，采取自动布线，布线结果如图5所示。

在整个PCB设计过程中，需要注意的是发光二极管VD的封装引脚要和其电路原理图中引脚相一致，否则，在载入网络表时会提示出错。

教师可以将此电路的PCB设计作为PCB课程的开篇实例给学生进行讲解，原因在于：一是此电路涉及到的元器件不多，便于PCB设计中对元器件布局，但此电路涉及到电路中最基本的元器件，即电阻、电容(包括普通电容和电解电容)、芯片(555)，这样学生在绘制电路原理图时可以了解到这些最基本器件在原理图中的添加方法，及其图形符号和元器件相对应的封装。二是此电路简单，涉及到的线路不多，便于PCB设计中对电路进行布线。三是通过这一简单的实例，可以让学生快速地了解到PCB设计的基本步骤。四是学生可以通过此实例对电路板的结构、设计对象及工作层面有一个基本的了解。五是学生可以学会原理图编辑器和PCB编辑器这两种最基本设计编辑器的使用方法。

(二)555定时器组成的多谐振荡器——矩形脉冲发生器

1.555定时器组成的多谐振荡器的工作原理

图6　由555定时器组成的多谐振荡器

2.矩形脉冲发生器

图7　矩形脉冲发生器

(1)电路组成

555组成的多谐振荡器可以用作各种时钟脉冲发生器，脉冲频率可调的矩形脉冲发生器就是其中一种，其电路组成如图7所示。

(2)工作原理

调节电位器RP可得到任意频率的脉冲。由于电容C1的充放电回路的时间常数不相同，所以图7所示电路的输出波形为矩形脉冲，输出矩形脉冲的占空比随频率的变化而变化。

(3)PCB设计

图8　矩形脉冲发生器的原理图设计

图9　矩形脉冲发生器的PCB设计

矩形脉冲发生器的PCB设计过程与上述触摸开关电路的PCB设计过程基本相同，在此不再赘述。图8为矩形脉冲发生器的原理图设计，图9为矩形脉冲发生器的PCB设计。

要说明的是，此电路与触摸开关电路不同的一点就是引入了电位器RP，学生由此可以了解到电位器的图形符号及其封装，其他地方和触摸开关电路基本相同。所以教师可以在介绍完电路原理之后，把此电路作为习题让学生练习，使学生进一步熟悉PCB基本设计流程。

(三)555定时器组成的施密特触发器——逻辑电平测试电路

1.555定时器组成的施密特触发器的工作原理

图10　由555定时器组成的多谐振荡器

2.逻辑电平测试电路

(1)电路组成

图11　逻辑电平测试电路

(2)工作原理

图11所示的逻辑电平测试电路其工作方式与施密特触发器相同。若调节电位器RP使5脚电位为逻辑电平的门限电压2.4V，则6脚的触发电平为2.4V，2脚的触发电平为1.2V。当νI>2.4V时，555复位，红色发光二极管亮。当νI<1.2V时，555置位，绿色发光二极管亮。该测试电路可用于TTL、CMOS等逻辑电平的测试，被测信号的频率不得超过25Hz，否则观察效果不明显。

(3)PCB设计

图12　逻辑电平测试电路的原理图设计

图13　逻辑电平测试电路的PCB设计

图12为逻辑电平测试电路的原理图设计，图13为逻辑电平测试电路的PCB设计。此电路PCB设计过程也与前面两个电路基本一致，涉及到的元器件前面两个电路也都出现过，应该注意的问题也与前面两个电路基本相同，再加之该电路的工作原理易于理解，所以教师可以把此电路的PCB设计作为作业让学生自己练习，相信绝大多数同学能够在理解该电路原理的基础上用较快的速度准确地完成该电路的PCB设计。

以上就是我结合分析电路工作原理对555定时器的三个典型应用电路进行的PCB设计，教师可参考选择在PCB教学的第一节课介绍这三个电路。如前所述，这三个电路依次可作为教师讲解实例、习题以及作业，在讲解第一个电路时，可穿插介绍电路板的一些基本概念，如电路板的结构、电路板的主要设计对象、电路板的工作层面等。众所周知，讲好课程的第一节课，会极大地促进学生学习该门课程的热情，相信通过这种教学设计会水到渠成地将学生带入电子电路设计的大门。

此外，还需提及的是，PCB设计中原理图符号设计和元器件封装设计这两个重要内容在上述三个电路设计中没有涉及，教师在讲解实例的过程中应予以提及，因为这两方面也是PCB设计中不可缺少的两个重要组成部分。另外，要学习好PCB设计还有许多细节地方需要掌握，如度量单位的转换、栅格参数的设定、快捷方式的使用等。在PCB设计过程中也会经常遇到一些问题，需要我们不断积累经验进行解决，只要这样才能实现我们快捷、高效、准确地完成电子电路设计的目标。

参考文献：

[1]张宪等.电子电路实用手册—识图、制作、应用[M].北京：化学工业出版社，2012.

[2]张瑾等.电路设计与制板—Protel 99SE 入门与提高[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[3]康华光.电子技术基础数字部分(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[4]沈任元等.数字电子技术基础[M].北京：机械工业出版社，2009.

[5]王文华等.电子技术应用[M].北京：清华大学出版社，2014.

555 Timer Typical Application Circuit and its PCB Design

LI Ying

(TianjinHedongDistrictStaffUniversity,Tianjin, 300162)

Abstract:the corresponding solution is proposed aimed at the problem that the analysis of circuit principle is ignored in PCB teaching, causing that the students study PCB blindly.Three typically application circuits of 555 timer are concluded and summarized, and its work principle is analyzed, and finally, the corresponding PCB design of these typical circuits is given.The teaching design mentioned in this paper enables the students to master the PCB design method rapidly and have a strong interest in learning PCB.It can provide a teaching reference for the teachers and also provide some thought for the course integration.

Key words:555 timer; application circuit; PCB design

中图分类号：TN492

文献标识码：A

文章编号：1673-582X(2016)04-0080-07

作者简介：李莹(1982-)， 女，天津人，天津市河东区职工大学讲师，主要从事电子技术及其应用的教学研究工作。

收稿日期：2016-03-04