555定時器的應用及OrCAD/PSpice仿真

Simulation and Analysis of Typical Applications for 555 Timer Based on OrCAD/Pspice

摘要:分析了555定時器內部結構及其工作原理,利用OrCAD/PSpice對555定時器構成的單穩態觸發器、施密特觸發器和多諧振蕩器的工作特性進行了仿真,針對仿真過程中多諧振蕩器不起振的問題進行了分析,找出了兩種振蕩電路的有效起振方法,結果表明仿真結果與理論計算值基本相符,對555定時器的綜合設計應用具有一定的參考意義.
關鍵詞： 555定時器?? EDA?? OrCAD/Pspice 10.5?? 瞬態分析

本文以OrCAD／PSpice 10.5為工具，對555定時器構成的三種典型電路進行仿真分析，得出了一些有價值的結論。

555定時器是一種將模擬功能與數字(邏輯)功能緊密結合在一起的中小規模單片集成電路。它功能多樣，應用廣泛，只要外部配上幾個阻容元器件即可構成單穩態觸發器、施密特觸發器、多諧振蕩器等電路，是脈沖波形產生與變換的重要元器件，廣泛應用于信號的產生與變換、控制與檢測、家用電器以及電子玩具等領域。

OrCAD／PSpice作為國際上著名的電子設計自動化軟件之一，具有仿真速度快、精度高等優點，不僅可以用于電路分析和優化設計，與印制版設計軟件配合使用，還可實現電子設計自動化，被公認是通用電路模擬程序中最優秀的軟件之一。例如：基于該軟件，Essakhi等人提出了一種微波整流天線的時域模型；Du等人提出了一種從三維時域場分析提取S參數的方法；Zhang等人仿真了E類功率放大器的特性，并進行了實驗證實；Sakuta等人分析了低相位噪聲振蕩器的特性，并計算了有載Q值；Hayahara等人設計了△-∑A／D轉換器，并對其信噪比進行了仿真；Brecl等人提出了一維、二維薄膜模型，并模擬了其接觸電阻。這些表明，軟件OrCAD／PSpice是現代電子電路設計的有利工具。


1? 555定時器組成框圖及工作原理

555定時器的圖形符號及管腳圖如圖1所示，其中管腳1是公共端，管腳2為觸發端，管腳3為輸出端，管腳4為復位端，管腳5是控制電壓輸入端，管腳6為閾值端，管腳7是內部三極管的放電端，管腳8是電源端。


555定時器的內部電路方框圖如圖2所示，該集成電路由四部分組成：電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發器、輸出緩沖器和放電三極管。

比較器的參考電壓由三只5 kΩ的電阻器構成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為2Vcc／3和Vcc／3。A1和A2的輸出端控制RS觸發器狀態和放電管開關狀態。當輸入信號輸入并超過2Vcc／3時，觸發器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關管導通；當輸入信號自2腳輸入并低于Vcc／3時，觸發器置位，555的3腳輸出高電平，同時充電，開關管截止。

MR是復位端，當其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接Vcc。

CO是控制電壓端(5腳)，平時輸出2Vcc／3作為比較器A1的參考電平，當5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01μF的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩定。

T為放電管，當T導通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。

2 單穩態觸發器仿真分析

單穩態觸發器廣泛用于脈沖整形、延時及定時電路中。單穩態觸發器有一個穩態和一個暫穩態，在無外來觸發脈沖作用時，電路保持穩態不變，而當有外來觸發脈沖作用下，電路由穩態翻轉到暫穩態，并輸出一個脈寬和幅值恒定的矩形脈沖，輸出的脈沖寬度TW等于暫穩態的持續時間，而暫穩態的持續時間取決于R2，C2，則：


運行OrCAD／CaptureCIS，利用Schematics繪制的由555定時器構成的單穩態觸發器電路見圖3，輸入信號Vi為脈沖電壓源(VPULSE)，設置其參數如下：


值得注意的是，輸入信號VPULSE的重復周期必須大于輸出的脈沖寬度TW，輸入信號VPULSE的脈寬應小于TW，才能保證每一個正倒置脈沖起作用。

利用OrCAD／PSpice 10.5的瞬態分析功能進行仿真，瞬態分析(Time Domain Transient)是指在給定輸入激勵信號的作用下，計算電路輸出端的瞬態響應，其實質就是計算時域響應。設置瞬態分析參數從零時刻開始記錄數據，到4 ms結束，最大步長為0.1 ms。進行瞬態分析后，得到圖4所示的輸出電壓波形圖，其中類似于鋸齒波的是電容C2兩端的電壓，而方波則是555的輸出端Vout的電壓波形。

由圖4可見，電容C2存在自動充放電過程。當觸發脈沖到達時，電源Vcc通過R2給電容C2充電，從0 V充電到約3.33 V之前，555定時器的輸出始終保持高電平，而一旦電容充電到3.33 V，555的輸出立即轉換為低電平，隨后電容C2開始從3.33 V迅速放電到0 V，此后又開始新的充放電過程。在555的輸出端Vout可以獲得周期性的矩形脈沖，而脈沖的寬度約為1.09 ms，與理論計算值1.1R2C2相近。并且輸出脈沖的寬度與輸入信號VPULSE的脈寬和幅度無關。

3 施密特觸發器仿真分析

用555定時器構成的施密特觸發器將閥值端和觸發端接在一起作為輸入端。運行OrCAD／CaptureCIS，利用Schematics繪制的555定時器構成的施密特觸發器電路如圖5所示。輸入信號Vi為三角波電壓源(VPWL)，設置其參數為：


利用PSpice的瞬態分析功能進行仿真，設置瞬態分析參數從零時刻開始記錄數據，到3 ms結束，最大步長為1μs，得到555的輸出端Uout的電壓波形與輸入電壓波形如圖6所示。


由圖6可見，該電路能將輸入三角波轉換成方波輸出，當輸入三角波電壓升高，輸出電平發生轉換時所對應的門限電壓約為8 V，而當輸入三角波電壓降低，輸出電平發生轉換時所對應的門限電壓約為4 V，即上門限電壓與下門限電壓不同，輸入與輸出間具有遲滯特性。將輸入信號換成正弦信號后，得到輸入／輸出電壓的波形如圖7所示，依然表現出遲滯特性，且上門限電壓與下門限電壓仍分別為8 V和4 V，而這正是施密特觸發器電路的工作特性。仿真結果與理論計算結果的上門限電壓(2／3 Vcc)和下門限電壓(1／3 Vcc)相符。

4 多諧振蕩器仿真分析

多諧振蕩器是一種自激振蕩器，接通電源后不需要外加觸發信號便能自動產生矩形脈沖。運行OrCAD／Capture CIS，利用Schematics繪制的由555定時器構成的多諧振蕩器電路如圖8所示。


電路由一個555B芯片、兩個電阻和兩個電容組成，通過電阻給電容C1充電、放電的過程來產生振蕩，從而輸出矩形脈沖。啟動PSpice瞬態分析功能，觀察電容C1的端電壓和555的輸出端Vout的電壓，得到圖9所示的波形。由圖9中發現555定時器構成的多諧振蕩器的輸出電壓Vout始終保持高電平，并沒有產生預期的振蕩。

4.1? OrCAD／PSpice中555多諧振蕩器不能起振的原因

分析可知，PSpice中555多諧振蕩器不能起振的原因在于起振源。實際振蕩電路之所以能自行起振是由于起振源的存在。實際振蕩電路的起振源主要由兩方面因素構成：一是由振蕩電路晶體管內部的噪聲和電路噪聲(電阻熱噪聲等)引起；二是由電路接通電源瞬間的沖擊電流引起。而直接利用PSpice對圖6電路進行模擬仿真時，PSpice會將電路中的555定時器、電阻、電容、電源等元件和電路的接通過程都理想化，即電路中不能產生任何噪聲和干擾。因此，沒有起振源，自然就不能產生振蕩。

4.2有效起振方法

經查閱相關文獻[10]，并經多次實驗驗證，發現有多種方法可以使電路起振，現介紹其中兩種最簡單的方法供大家參考：??

(1)給電容加初始值(IC值)，本例中只將C1和C2的IC設為0。電容上的初始電壓，只是激發了振蕩電路的振蕩，沒有改變電路起振后的輸出波形，也沒有影響對振蕩電路起振特性的研究。

(2)在瞬態分析仿真設置(Simulstion Settings)中激活初始瞬態偏置點計算(Skip the Initial Transient Biaspoint Calculation)選項，直接使用各元件的起始條件來作瞬態分析。

兩種方法都能順利使555多諧振蕩器發生起振，且持續地輸出脈沖波形。

4.3仿真結果與理論計算值比較

4.3.1計算指標理論值

4.3.2? 仿真值

在OrCAD／PSpice中，采用前面提出的模擬振蕩電路的起振方法得到555振蕩電路輸出端的矩形脈沖電壓波形，如圖10所示。


由圖10可見，電源Vcc先通過R1，R2給C1充電，使電容C1從0 V充電到2Vcc／3，接著從2Vcc／3放電到Vcc／3，又再從Vcc／3充電到2Vcc／3，電容C1形成周期性的充放電過程，從而在555的輸出端Vout形成周期性的矩形脈沖波，構成多諧振蕩器。由圖10所示，可得輸出矩形脈沖特性參數：


仿真結果表明，輸出脈沖周期、占空比系數的仿真值與理論值基本相符。同時分析可知，其值只與電阻、電容值有關，電容上的初始電壓，只是激發了振蕩電路的振蕩，并不會改變電路起振后的輸出波形，也不會影響對振蕩電路起振特性的研究。

5 結? 語

利用OrCAD／PSpice 10.5對555定時器構成的單穩態觸發器、施密特觸發器和多諧振蕩器的特性進行了仿真分析。同時，針對仿真過程中多諧振蕩器不起振的問題進行了討論，提出了振蕩電路的有效起振方法，仿真結果與理論計算值基本相符表明OrCAD／PSpice是電子線路設計人員必須掌握的基本工具之一。