一种基于555定时器的方波产生电路设计

祝水军 李良儿

（1.宁波职业技术学院，浙江 宁波 315800；2.浙江海洋大学，浙江 舟山 316000）

方波是常用的信号源之一，方波产生电路结构形式多样。本文根据555 定时器的工作特点，设计了一种新的基于555 定时器的方波产生电路，创新了555 定时器的应用方法[1]。555 定时器的方波产生电路结构简单、工作可靠性高，是电子技术教学的重要内容，也是电路设计时广泛应用的电路。

1 基于555 定时器的常规方波产生电路概述

方波产生电路是多谐振荡电路，它能产生占空比为50%的矩形波信号。555 定时器方波产生电路基于555 本身的电气特点，结合外围的RC 充放电电路，设计的关键是如何使充放电的时间完全对称[2]。

1.1 基于555 定时器的常规方波产生电路之一

基于555 定时器的典型的方波产生电路如图1所示。为了产生方波，用二极管D1 和D2 使电容C1的充、放电路径不同，从而使输出信号的占空比达到50%[3]。

图1 555 定时器的常规方波产生电路1

图1电路中，电容C1 充电时，电路输出高电平，其持续时间为：

电容C1 放电时，输出低电平，其持续时间为：

由式（1）、（2）可知，只要R1、R2取值相等，即可使t1与t2相等，从而使信号的占空比为50%，电路输出方波信号[4]。

1.2 基于555 定时器的常规方波产生电路之二

本方案中，555 的⑦脚悬空未用，定时电路R1C1连接至555 定时器的输出端③脚，如图2所示。定时器输出高电平，该高电平经电阻R1对电容C1充电，当C1上的电压上升至时，555 定时器输出低电平，同时C1通过R1对555的输出端放电，当C1上的电压下降至时，555 定时器输出高电平，如此循环往复。通过上述分析可知，电容器C1的充电和放电路径是相同的，因此电路输出信号高、低电平持续时间相等，得到方波信号。

图2 555 定时器的常规方波产生电路2

本方案电路其实就是由555 构成的施密特多谐振荡电路。该电路的优点就是只要调节R1的阻值，就可方便地改变输出方波的频率。但若负载发生变化，将会引起输出电压变化，进而会影响电容C1的充电时间，使t2产生变化，从而使输出信号占空比稍稍偏离50%。

2 一种新的基于555 定时器的方波产生电路设计

2.1 电路设计与分析

笔者设计了如图3所示的方波产生电路。

图3 一种新的555 定时器的方波产生电路

在该电路中，电源Vcc 经过R1对电容C1充电，C1充电期间电路输出高电平，其持续时间为：

当电容C1上的电压时，电路输出低电平，同时电容C1开始放电，C1放电路等效电路如图4所示：

图4 放电等效电路

根据RC 暂态电路三要素公式[6]：

在式（4）中，

整理上式得到：

为了使电路产生方波，必须使，即

整理上式得到：

由此可见，该电路产生方波的条件就是要求解出满足式（7），即y=0 的解。

2.2 电路参数求解

对其求一阶导数得：

对于式（7）y=0 的准确解，可用数值法求解，运用MATLAB 求解式（7）[5]，程序如下：

为了便于调试并查看解的结果，程序中设置了可调的调试精度和搜索宽度，并用相应的数组存放各点对应的函数值。开始从较大搜索范围和较低的精度运行程序，可以发现在或x＞2 这两区间，函数确属单调递增的，且可以发现各有一个解存在。然后可以缩小解的搜索范围，并提高精度进行多次运行。

程序运行结果如图5所示，得到两个解：x1=-1，x2≈2.36（当x2≈2.362 时，y≈-0.0005）。

图5 MATLAB 计算图

很显然，x1=-1 是无意义的解。因此，式（7）的正确解是x≈2.36，即，当R1≈2.36R2时，图3即可产生方波。

3 电路测试

为了实际测试方便，笔者在图3电路中用一个精密电位器与电阻R2串联，构建了如图6所示的测试电路。在实际电路测试时，DS1072E-EDU 示波器测得该电路实际输出方波周期为34.4ms。示波器测试的波形和记录的数字输出如图7所示。从图中可见，波形的高电平和低电平维持的时间均为17.2ms，说明确为方波。UT802 万用表测得图6电路中各电阻值分别为：

实验测试数据表明，笔者所设计的基于555 定时器的方波信号发生器电路理论计算数据与实际测量数据吻合。示波器测试波形表明电路工作稳定可靠。

图6 实验测试电路

4 结论

本文创新设计了一种基于555 定时器方波产生电路，实际电路测试数据表明，理论计算正确，电路工作稳定可靠。该设计电路拓展了555 定时器的应用方法。

图7 示波器测试的实际方波波形图