基于Multisim的555定时器仿真设计

夏志祥

（南京航空航天大学继续教育学院 江苏 南京 210016）

1 引言

数字逻辑电路设计是一门具有很强实用性的课程，其实验环节相当重要。555定时器是数字逻辑器件中比较有代表性的，应用比较广泛，它可以用于信号的产生、变换、整形和测试。随着计算机技术的不断发展，计算机仿真技术已经成为电子工程设计中的重要辅助工具。利用Multisim仿真软件进行数字逻辑电路设计的仿真实验，不仅可以弥补实验设备、元器件的短缺以及实验设备的老旧和实验元器件的规格不全等问题，而且可以利用该仿真软件提供的多种分析工具、多种分析方法和众多的虚拟仪器，更深入、更精确地掌握基础理论内容，能够很好地掌握相关的逻辑符号和逻辑器件，并能够很好地掌握常用的显示仪器和数字测量仪器的用法，进一步培养学生的动手能力和开拓创新能力。

2 Multisim仿真软件在电子电路实验中的突出特点

Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真软件，非常适用于模拟、数字等电路的仿真设计工作。从推出至今，经历了众多版本。无论是哪一个版本，都包含了丰富的元器件、电路原理图的输入、电路硬件描述语言输入方式等，具有极其丰富的仿真分析能力。作为Windows平台下运行的个人桌面电子设计仿真软件，Multisim 是一个完备的集成化设计环境[2]。Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。Multisim仿真软件具有以下特点：

（1）图形界面直观化。Multisim仿真软件的操作界面就像实际实验中的电子实验工作平台，绘制仿真电路所需的各种各样的元器件和仿真所需的各种各样的仪器均可以直接拖放到屏幕上，直接用鼠标就可以用导线将它们连接起来，软件仪器的虚拟面板和操作方式都与真实的仪器相似，测量所得到的数据、相关波形和相关特性曲线如同在实际实验中得到的一样。

（2）元器件库极其丰富。Multisim仿真软件元器件库提供超过17000多种元件，同时可以很方便地对元件的参数进行编辑修改，可以利用模型生成器创建自己的元器件。

（3）仿真能力极其强大。Multisim仿真软件以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。

（4）测量仪器极其丰富。Multisim仿真软件提供了超过20种的虚拟仪器进行相关数据、波形和曲线的测量。

（5）分析手段众多。Multisim仿真软件具有众多的分析手段，比如直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析等。

3 555定时器简介

555定时器的内部电路结构如图1所示。它一共有8个引脚，1号引脚是接地端，2号引脚是触发端，3号引脚是输出端，4号引脚是复位端，5号引脚是电位控制端，6号引脚是阈值端，7号引脚是放电端，8号引脚是电源端。从组成部分来看，由3个5KΩ的电阻构成分压器；由C1、C2构成的电压比较器；由两个两输入端的与非门交叉耦合构成的基本SR锁存器；还有1个输出缓冲反相器和1个集电极开路输出三极管[1]。

图1 555定时器内部电路结构图

555定时器的工作原理如表1所示。

表1 555定时器的内部工作原理（VCC=5V）

4 Multisim中555定时器仿真实验

例：555定时器构成多谐振荡器

本例用Multisim仿真实验来实现555定时器构成的多谐振荡器。仿真实验电路图如图2所示。选用了虚拟的555定时器，元器件的参数分别是：R1=10KΩ，R2=30KΩ，C1=100nF，C2=10nF，虚拟示波器的通道A、B分别观看输出波形和电容C1两端电压波形。多谐振荡器的工作原理是：刚开始接通5V直流电源，该电源通过电阻R1、R2给电容C1充电，当电容C1两端的电压上升至（约3.34 V）时，输出端（3号引脚）的状态由高电平转至低电平，同时放电端（7号引脚）的三极管导通，电容C1通过电阻R2进行放电，当电容C1两端的电压下降至（约1.67 V）时，输出端（3号引脚）的状态由低电平转至高电平，同时放电端（7号引脚）的三极管截止，如此循环，电容C1的充、放电状态一直保持，输出端的状态在高、低电平之间转换，形成了多谐振荡器。输出端高电平维持的时间为：tpH=0.7(R1+R2)C1，输出端低电平维持的时间为：tpL=0.7R2C1，多谐振荡器输出方波的周期：T=0.7(R1+2R2)C1。

图2 555定时器构成的多谐振荡器

仿真实验中用虚拟示波器看到的波形如图3、图4所示。图3是输出电平从高到低转换时刻点的波形，红色波形是输出方波，橙色是电容C1两端电压的波形，可以看出输出电平从高到低转换所对应的电容C1两端电压约为3.327 V，接近于（3.34 V）；图4是输出电平从低到高转换时刻点的波形，红色波形是输出方波，橙色是电容C1两端电压的波形，可以看出输出电平从低到高转换所对应的电容C1两端电压约为1.671 V，接近于（1.67 V）；同时从图3、图4可以看出输出低电平的时间为2.123ms，这与理论值

图3 输出电平从高到低的转换时刻点

图4 输出电平从低到高的转换时刻点

吻合，而输出高电平的时间为2.811ms，这与理论值

吻合。

5 结语

综上所述，采用Multisim来开发数字逻辑电路设计实验取得了非常好的效果，无论是波形，还是实验数据都与理论值非常接近。通过仿真实验与硬件实验相结合能够很好地启发和拓宽了思路，对实验的开展起到了积极地促进作用。不足之处，本例中没有就输出方波的谐波分量进行分析，下次可以利用Multisim自带的傅里叶分析功能对输出波形的谐波分量进行分析。