基于555定時器組成的穩態電路分析

555定時器是一款經典的芯片，從學校實驗板到工業產品到處可見它的身影，其組成的電路千變萬化，本篇就555組成的三類基礎電路重點分析其工作原理，由這三類基本電路再去分析其他電路就簡單多了。

內部等效圖如下：2個比較器+1個三極管+1個RS觸發器+1個非門。

真值表如下：

整體說來，555組成的電路可以分為三種：無穩態電路，單穩態電路，雙穩態電路。

1. 無穩態電路：也稱多諧振蕩器，或是自激多諧振蕩器電路，與單穩態電路、雙穩態電路的明顯不同之處在于這種電路輸出端高低電平兩種狀態不斷交替循環，即只有兩個暫態，沒有穩態，電路也不需要外部觸發信號。
2. 單穩態電路：單穩態電路只有一種穩定的輸出狀態，在外界觸發信號的作用下，電路從穩態翻轉到暫態，在暫態維持一段時間后，又回到穩態。
3. 雙穩態電路：和以上單穩態電路相比較，雙穩態電路有二種穩定的輸出狀態，并且在外加觸發信號的作用下，可以由一種穩定狀態轉換為另一種穩定狀態。

一.無穩態電路——脈沖寬度調制（PWM）電路

以上電路是比較常用的PWM產生電路，R3電位器左右調節阻值還可在頻率不變的情況下調節PWM占空比。

分析工作過程：

1.第一階段：初始上電階段由于D2二極管處于截止狀態，所以電源V1通過R1、R3左給電容C1充電，C1兩端電壓介于0-1/3VCC之間時，output腳輸出高電平，discharge腳為高阻態；

2.第二階段：如果C1繼續充電，電壓上升，在介于1/3VCC-2/3VCC時，output腳保持高電平，discharge腳保持不變；

3.第三階段：當C1兩端電壓大于2/3VCC時，output腳、discharge腳變為低電平，C1上電荷通過R2、R3右逐漸釋放，C1兩端電壓逐漸降低，在C1兩端電壓小于1/3VCC瞬間，output腳變為高電平，discharge腳變為高阻態。

由于第三階段之后只有一瞬間進入第一階段，所以可以認定后續狀態為第二階段與第三階段不斷循環。

結合真值表及電容C1的充電曲線，可得到以下公式：

其中Vf為二極管壓降，VCC為供電電壓。

由上式可以得出結論：

1.R1、R2、R3、C1值不改變的情況下，調節R3電位器，只改變占空比，不改變頻率；

2.很多人計算時不考慮系數K，不考慮的話實際結果和計算會有較大誤差。

仿真電路：

仿真結果：

思考一下，綠色框標記的部分Ton時間比后續Ton長？

初始上電時V0=0，而后續狀態V0=1/3VCC，充電時間自然就不一樣。

二.單穩態電路——延時開關電路

分析工作過程：

1.第一階段：未觸發開關，由于2腳為高電平，所以3腳Output和7腳Discharge電平一直在低電平與保持狀態之間來回切換，因此3腳Output表現為低電平；

2.第二階段：觸發開關，導致2腳接地，產生低電平，滿足小于1/3 Vcc條件，因此3腳Output變成高電平，同時7腳Discharge變成高阻態，此時C4開始充電，兩端電壓逐漸升高。在C4兩端電壓大于2/3 Vcc瞬間，3腳Output、7腳Discharge也變成低電平，C4放電至兩端電壓為0，恢復初始的穩定狀態。

延時時間計算：

仿真電路：

仿真結果：

三.雙穩態電路——單按鍵開關電路

分析工作過程：

1.第一階段：在初始上電時，R8、R9分壓，由于C6的存在，所以2腳和6腳電壓逐漸上升，最終穩定在1/2VCC，由于上升過程中電壓會經過1/3VCC電壓點，所以最終輸出會穩定在3腳Output保持高電平不變，7腳Discharge保持高阻態不變，由于3腳Output高電平，所以C5持續充電保持高電平；

2.第二階段：第一次觸發按鍵K1，C5兩端電壓加在R9兩端會產生大于2/3VCC的尖峰電壓，2腳、6腳電壓超過2/3VCC閾值電壓，3腳Output、7腳Discharge則輸出低電平，此時R8、R9、R10分壓，由串并聯計算可知，2腳、6腳電壓介于1/3VCC與2/3VCC之間，查真值表可知，3腳Output保持低電平不變，7腳Discharge保持低電平不變，按鍵松手后，C5上電荷通過R10電阻逐漸釋放至兩端為0；

3.第三階段：第二次觸發按鍵K1，按下瞬間C5電容可等效為短路，會將2腳、6腳電壓拉低到1/3VCC以下，查真值表可知，3腳Output變為高電平，7腳Discharge變為高阻態，按鍵松手前，R8、R9、R10分壓，2腳、6腳電壓介于1/3VCC與2/3VCC之間，3腳Output保持高電平，7腳Discharge保持高阻態，按鍵松手后，3腳Output輸出高電平持續為C5電容充電；

后續繼續按下按鍵則實現第二階段與第三階段的循環。

注意以上電路中C5取值時應該滿足以下條件：

1.容量不可太大，若太大，R10*C5充放電時間較長，快速按鍵時無法在2腳6腳產生足夠的電壓幅值變化；

2.容量不可太小，若太小，按鍵按下時C5等效阻抗太小無法拉低2腳6腳電壓。

仿真電路：

仿真結果：

以上篇幅介紹了555定時器應用的三種基本電路：無穩態電路、單穩態電路、雙穩態電路，其余電路均是在這三種電路基礎上延伸出來的，我們在分析電路時，無論多復雜的電路都可以拆分開來具體分析，化繁為簡，都會迎刃而解。