时基电路555上跳沿触发单稳态电路设计

戴伏生

(哈尔滨工业大学(威海校区) 信息与电气工程学院， 山东 威海 264209)

时基电路555上跳沿触发单稳态电路设计

戴伏生

(哈尔滨工业大学(威海校区) 信息与电气工程学院， 山东 威海 264209)

本文介绍一种时基电路555上跳沿触发单稳态电路设计方法。首先，对电路的工作原理进行分析并讨论了电路工作参数计算方法。然后，通过仿真和实物实验，验证了该设计方法的正确性。最后，阐明该电路与下跳沿触发单稳态电路相比较的特点。

脉冲电路；单稳态触发器；时基电路555

0 引言

由于集成时基电路555具有构思奇巧、工作可靠性高、适应电源范围宽、输出驱动能力强等特点，用途非常广泛，到目前为止仍是电子技术领域应用的热门器件之一。上世纪八十年代国内就把它作为经典电子器件引入到电子技术类教材之中，并详细介绍其原理以及一些典型基本应用电路[1]。然而，检索国内外文献后发现，在过去的几十年当中，有关利用该器件构建单稳态触发器应用电路方面，侧重讨论和使用的均是下跳沿触发单稳态电路[2,3]，而对于上跳沿触发单稳态电路，不知由于何种原因，既未对其原理进行详细讨论，也没有见到被应用的实例。既然该器件已被引入到教材之中，就需要完整地体现出全部其典型基本应用电路形式，因此，有必要把被遗漏几十年的利用时基电路555设计上跳沿触发单稳态电路方案推荐出来开展讨论，力图更进一步扩大时基电路555应用范围。

1 时基电路功能及典型应用电路

图1 时基电路555内部原理结构

图2时基电路555常用的基本应用电路

2 上跳沿触发单稳态电路工作原理

基于集成时基电路555设计的上跳沿触发单稳态电路如图3所示。其中，电阻R1和电容C为确定暂稳状态持续时间长短的定时器件；电阻R2为上拉电阻，如图1所示，由于时基电路555内部晶体三极管TD集电极开路，因此对外引脚输出需配备此上拉电阻；二极管D并不是单稳态电路必须采用的器件，主要作用是当暂稳态结束后为了快速恢复到稳定状态而添加的辅助器件，若实际触发信号间隔较大时，二极管D完全可以省略。控制电压输入端5号引脚所接的0.1 μF电容，主要起到防止外接干扰参考电压的滤波作用，若电路工作环境良好，省略电容C使引脚悬空不会影响电路功能。电路工作原理详细分析如下。

图3上跳沿触发单稳态电路

2.1 稳定状态下各关键点的电平分析

外部的触发信号ui从6号引脚输入，非触发时ui≈0 V。无论是通过图1时基电路555内部原理结构分析，或者是利用时基电路555的功能表1分析，图3所示的上跳沿触发单稳态电路在稳定状态情况下，输出的3号引脚保持uo≈Vcc，同时辅助输出端7号引脚内部连接的晶体管TD保持截止状态。电容C对地电位同时也是2号引脚输入信号保持uc≈Vcc。

若稳定状态下各关键点状态不符合上述情况，则电路通过自身调整会自动恢复到稳定状态。例如，假设输出uo≈0、电容C对地电位uc>Vcc/3。此时辅助输出端7号引脚内部连接的晶体管TD对地必然处于导通状态。这种情况下电容C将经过电阻R1并通过7号引脚内部连接的晶体管TD到地构成放电回路。考虑到6号引脚非触发时输入电压ui≈0V<2Vcc/3，当电容C放电到对地电位uc

2.2 信号一次触发过程电路动作分析

当输入触发信号ui>2Vcc/3的上跳沿到来时，由于电容C两端的电压uc≈Vcc不能突变，此刻6号和2号引脚的电平状态是：6号引脚电平′ui>2Vcc/3、3号引脚电平uc≈Vcc>Vcc/3，根据功能表1，电路状态将由稳定状态转进入暂稳定状态，此时的状态为：作为输出的3号引脚为低电平状态uo≈0，同时辅助输出端7号引脚内部连接的晶体管TD对地处于导通状态。这种情况下电容C将经过电阻R1并通过7号引脚内部连接的晶体管TD到地构成放电回路，uc将由uc≈Vcc逐渐下降，且uc在下降到Vcc/3之前，无论输入触发信号ui是什么电平，电路将维持暂稳状态，uc会继续下降，即暂稳状态持续的长短与ui高电平宽窄无关，因此该触发器属于上跳沿触发模式。一旦uc下降为Vcc/3时刻，根据功能表1可以判断出3号引脚输出将变为高电平uo≈Vcc，同时辅助输出端7号引脚内部连接的晶体管TD将变为截止状态，此刻电路结束了暂稳状态，之后进入稳定状态恢复过程。

通过上述对暂稳状态的电路动作分析，并利用电路原理当中的一阶电路三要素法计算公式uc(tw)=uc(∞)+[uc(0)-uc(∞)]e-twτ1，可计算出暂稳状态持续时间。其中uc(0)=Vcc、uc(∞)=0、uc(tW)=Vcc/3、τ1=R1C，得到暂稳状态持续时间tW=R1Cln3≈1.1R1C。

2.3 暂稳状态结束电路恢复过程分析

进入稳定状态恢复过程主要体现是对电容C进行充电，由快速充电和逐渐充电两个阶段组成。第一阶段的快速充电主要是指，电源通过电阻R2及二极管D对电容C进行快速充电，电容C的对地电位将迅速升高，当充电至uc≥Vcc-VDon时二极管D将进入死区，其中VDon为二极管的开启电压。此后稳定状态恢复进入第二阶段的逐渐充电过程。第二阶段电路动作主要是电源通过电阻R2及R1串联电路对电容C继续进行充电。对电容C充电最终结果为uc≈Vcc。

依据上述分析，并利用三要素计算公式uc(tr1)=uc(∞)+[uc(0)-uc(∞)]e-tr1/τ1，对电路恢复时间进行估算，在第一阶段的快速充电时有：uc(0)=Vcc/3、uc(∞)=Vcc、uc(tr1)=Vcc-VDon、τ2≈(R2+rd)C，rd为二极管导通时的等效内电阻。利用三要素计算公式得到快速充电阶段所需时间为tr1≈(R2+rd)Cln(2Vcc/3VDon)。由于二极管导通时的等效内电阻rd不固定，且随着对电容C充电过程由小变大，为便于计算并依据实验结果，快速充电阶段所需时间可按照tr1≈2.2R2Cln(2Vcc/3VDon)公式进行估算。在逐渐充电的第二阶段，电源通过电阻R2及R1串联对电容C充电是从uc(tr1)=Vcc-VDon开始，最终充电结果为uc≈Vcc，即Δuc(tr2)≈VDon。理论上所需时间为tr2=∞，实际上当经过tr2≈3(R2+R1)C，对电容C充电基本结束。通过上述分析，电路完全恢复到稳定状态所需时间为tr≈tr1+tr2≈2.2R2Cln(2Vcc/3VDon) +3(R2+R1)C。

3 上跳沿触发单稳态电路的验证

按照图3所示原理电路，利用OrcadPspice电路仿真软件对所设计的上跳沿触发单稳态电路进行验证，分别验证宽脉冲触发和窄脉冲触发，电路参数为C=10 uF、R1=10kΩ、R2=1kΩ，二极管D选用1N4148，其VDon≈0.5V，电源电压Vcc=5V。仿真结果如图4所示。

按照上节原理分析方法计算，可得到暂稳态持续时间tW=R1Cln3≈1.1R1C≈110ms，电路完全恢复到稳定状态所需时间tr≈tr1+tr2≈2.2R2Cln(2Vcc/3VDon)+3(R2+R1)C≈41.7+330=371.7ms。计算结果与仿真结果一致，从仿真角度表明单稳态电路设计方法的正确性。再此基础上，按照图

(a)宽脉冲触发

(b)窄脉冲触发图4 上跳沿触发单稳态电路仿真结果

3所示原理电路搭建实际电路进行检测验证。其中，器件选用NE555，电容C和电阻R的参数分别按照常用的E-12和E-24标称值系列选取。利用自带信号源的安捷伦DSOX2002A数字示波器进行测

试，考虑到元器件电容C和电阻R标称值与实际值的误差，其实验结果与理论计算结果及仿真结果一致。通过实验检测，进一步了证明所推荐的基于时基电路555设计上跳沿触发单稳态电路方法的正确性。

4 结语

本文提出一种基于时基电路555上跳沿触发单稳态电路的设计方法，理论分析和仿真及实物实验证明，该电路为上跳沿触发模式的触发器。该单稳态电路与时基电路555构成的下跳沿触发电路相比，两者多数特点相似，但是下跳沿触发电路要求触发脉冲必须小于暂稳态持续时间，而推荐的上跳沿触发单稳态电路不用考虑输入触发脉冲宽窄问题，因此在对输入信号的约束方面，推荐的上跳沿触发单稳态电路更具有优势，因此该电路用于解决实际问题没有任何不妥之处。通过以上讨论留给读者的启迪是，要善于分析并充分发挥每种电子器件独有特点去解决实际问题，本文介绍的上跳沿触发单稳态电路，就是充分发挥时基电路555本身的特点而设计出来的，这也是创新方式的一种体现。电子技术基础课程当中有很多类似的问题需要读者们思考，撰写该文的目的是能给读者们提供启发和借鉴，希望本文能起到抛砖引玉之效果。

[1] 清华大学电子教研组. 数字电子技术基础简明教程[M]. 北京: 高等教育出版社, 1985.

[2] 陈有卿, 叶桂娟. 555时基电路原理、设计与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007.

[3] 张庆双, 555应用电路精选[M]. 北京:机械工业出版社, 2010.

[4] 阎石. 数字电子技术基础(第五版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[5] 杨春玲, 王淑娟. 数字电子技术基础[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

哈尔滨工业大学(威海)教学研究项目(ITDA10002101)

戴伏生(1963-)，男，教授，主要从事通信电子系统方面的教学和研究工作，E-mail: dfs1963@163.com

TN782+.1

A

1008-0686(2017)03-0118-04