555定时器-非稳态多谐振荡器配置

我们已经在之前的文章中介绍了 555 定时器的单稳态和双稳态操作。 在本文中，我们将讨论第三种配置 - 555 定时器的非稳定模式。 我们将了解如何在非稳定模式下配置计时器，并了解其内部工作原理。

1、概述

非稳态多谐振荡器是一种没有稳定状态的电子器件，即它在高电平和低电平两种状态之间连续振荡。 它也被称为自由运行的多谐振荡器。 正如我们在之前的教程中看到的，单稳态和双稳态多谐振荡器的操作需要外部触发器。 但非稳态多谐振荡器则不同，因为它不需要任何外部触发脉冲。 它具有内置的自动触发功能，可在状态之间切换。

为了使我们的 555 定时器充当非稳态多谐振荡器，我们只需连接两个外部电阻和一个电容器，如下图所示。 在此模式下我们不需要外部开关，因为切换是自动的。

图1：555定时器作为非稳态多谐振荡器的原理图

• 阈值引脚 (6) 和触发引脚 (2) 连接在一起。 因此，在任何时刻，两个引脚都会收到相同的输入。

• 外部电容器连接在地与阈值和触发引脚的公共节点之间。

• 放电引脚 (7) 连接到两个外部电阻之间的节点。

• 复位引脚 (4) 被拉高以避免意外复位。

• 控制引脚 (5) 可用于更改 ⅔ VCC 的阈值参考电压。 我们可以在该引脚上施加外部电压，并且参考电压可以更改为 ⅔ VCC 以外的值。

但是，在本文中，我们不会更改参考电压，因此控制引脚通过 10nF 电容器接地。

2、非稳态多谐振荡器的内部工作原理

按照原理图连接外部组件并接通电源后的第一步是通过在定时器的复位引脚 (4) 上施加逻辑低电平来复位定时器。 这会清除电路中的任何浮动状态。 然后，定时器的复位引脚 (4) 再次连接回逻辑高电平，并且操作开始。

图2：电容电压低于⅓VCC设置触发器

最初，电容器未充电，即电压为 0V。 从原理图中可以看出，电容器电压作为定时器的触发引脚 (2) 和阈值引脚 (6) 的输入。 但这种配置的特点是，在任何给定时刻，两个比较器中只有一个会输出逻辑高电平。 因此，当电容器处于 0V 时，上比较器输出逻辑低电平，因为上比较器的同相输入连接到 0V 电容器，而反相输入处于 2/3 VCC。 但如果我们看一下下面的比较器，同相输入为 ⅓ VCC，连接到电容器的反相输入为 0V。 因此，同相输入大于反相输入，这会将下比较器的输出更改为逻辑高电平，并且触发器被置位。 Q 变为逻辑高电平， $\overline{Q}$ 变为逻辑低电平。 定时器的输出变为逻辑高电平。 但就在那一刻，其他事情也发生了。

您可能还记得有关定时器单稳态模式的教程，输出 $\overline{Q}$ 也被提供给定时器放电晶体管的基极。 由于 $\overline{Q}$ 为逻辑低电平，晶体管保持截止状态，电容器开始通过电阻器 R1 和 R2 向 VCC 充电。

图3：电容器开始从0V向⅔VCC充电

电容器两端的电压开始逐渐增加，并超过下部比较器的 1/3 VCC 参考电压。 这使得较低比较器逻辑的输出为低电平，因为反相输入变得大于比较器的非反相输入。 然而，这不会影响电容器的充电，因为现在触发器的两个输入均为逻辑低电平，这使得触发器进入存储器状态，Q为逻辑高电平， $\overline{Q}$ 为逻辑低电平，并且这使触发器保持在存储器状态。 晶体管处于截止状态，允许电容器保持充电。

电容器的充电通过两个外部连接的电阻器 R1 和 R2 进行。 因此，电容器充电至 ⅔ VCC 所需的时间取决于电阻器 R1 R2 和电容器的值，并通过以下关系计算

$T=0.693\times (R1+R2)\times C$

因此，在电容器充电的持续时间内，我们得到逻辑高电平作为定时器的输出。

图4：电容器电压超过 ⅔ VCC并使输出逻辑为低电平

最终，电容器两端的电压超过 / VCC 电平，这就是电路行为发生变化的地方。 定时器阈值引脚上的电压（即上部比较器的同相输入）变得大于参考电压⅔ VCC。 这使得上部比较器的输出为逻辑高电平，进而复位触发器。 所以现在触发器的Q输出为逻辑低电平，$\overline{Q}$输出为逻辑高电平，因此555定时器的输出为逻辑低信号。

您现在可能已经猜到了，当 $\overline{Q}$ 变为逻辑高电平时，放电晶体管就会打开。 现在电容器有一条通过电阻器 R2 和晶体管接地的路径，并且开始放电。

图5：电容器从 ⅔ VCC向 ⅓ VCC放电

电容器电压现在降至 ⅔ VCC 以下，使得上部比较器的反相输入大于同相输入，这导致比较器的输出切换回逻辑低电平。 触发器再次进入存储器状态，这次 Q 为逻辑低电平， $\overline{Q}$ 为逻辑高电平，并且不会阻止电容器放电。

这里需要注意的重要一点是，电容器的放电路径仅由 R2 组成。 因此，电容器放电到 ⅓ VCC 所需的时间仅取决于电阻器 R2 和电容器的值，并通过以下关系计算

$T=0.693\times R2\times C$

这意味着电容器的放电过程比充电更快，因为电容器的电阻更小。 定时器在电容器放电期间输出逻辑低电平。

图6：电容器电压降至⅓VCC以下并使输出逻辑为高电平

不久之后，电容器两端的电压降至 ⅓ VCC 电平以下。 这是计时器行为发生变化的另一个事件。 现在，下部比较器的非反相输入的电压电平高于反相输入。 这会将下部比较器的输出更改为逻辑高电平并设置触发器。 所以现在触发器的 Q 输出再次为逻辑高电平，而 $\overline{Q}$ 为逻辑低电平。 定时器的输出从逻辑低电平切换到逻辑高电平。

同时，逻辑低电平的 $\overline{Q}$ 关闭放电晶体管，电容器再次开始向 ⅔ VCC 充电。

下面是 555 定时器非稳态模式的完整波形以及电容器两端的电压。 最初，电容器两端的电压从 0V 上升至 2/3 VCC，在此期间定时器输出逻辑高电平。 达到 2/3 VCC 电平后，电容器开始放电，在此期间定时器输出逻辑低电平。 然后它降至 ⅓ VCC 以下，然后电容器再次开始充电。 充电到 ⅔ VCC 然后又回落到 ⅓ VCC 的过程不断重复，直到我们从电路中移除电源。 这正是非稳态多谐振荡器。

图7：555定时器在非稳态模式下的输出波形

您可能会注意到，电容器充电和放电所需的时间并不相同，这就是定时器的输出打开和关闭的持续时间不同的原因。 但好处是，我们可以通过改变电容器和电阻器的值来改变充电和放电的持续时间，即信号的占空比。 这使我们能够将定时器的非稳定输出用于多种目的，其中一些目的如下：

• 用于执行信号调制，如频率调制和脉冲位置调制。
• 用作方波发生器
• 该模式的输出也用作同步目的的时钟信号
• 我们还可以生成 PWM 信号来控制电机。

至此，我们已经涵盖了 555 定时器的所有操作模式。 我们希望这能让您更好地了解电子产品及其内部工作原理。 我们鼓励您使用其中一款 555 计时器，并探索您可以用它做什么。 这对任何人来说都是一次很棒的学习经历。