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Simulation and Analysis of Typical Applications for 555 Timer Based on OrCAD/Pspice
摘要:分析了555定时器内部结构及其工作原理,利用OrCAD/PSpice对555定时器构成的单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器的工作特性进行了仿真,针对仿真过程中多谐振荡器不起振的问题进行了分析,找出了两种振荡电路的有效起振方法,结果表明仿真结果与理论计算值基本相符,对555定时器的综合设计应用具有一定的参考意义.
关键词： 555定时器 EDA OrCAD/Pspice 10.5 瞬态分析
本文以OrCAD／PSpice 10.5为工具，对555定时器构成的三种典型电路进行仿真分析，得出了一些有价值的结论。
555定时器是一种将模拟功能与数字(逻辑)功能紧密结合在一起的中小规模单片集成电路。它功能多样，应用广泛，只要外部配上几个阻容元器件即可构成单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器等电路，是脉冲波形产生与变换的重要元器件，广泛应用于信号的产生与变换、控制与检测、家用电器以及电子玩具等领域。
OrCAD／PSpice作为国际上著名的电子设计自动化软件之一，具有仿真速度快、精度高等优点，不仅可以用于电路分析和优化设计，与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化，被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件之一。例如：基于该软件，Essakhi等人提出了一种微波整流天线的时域模型；Du等人提出了一种从三维时域场分析提取S参数的方法；Zhang等人仿真了E类功率放大器的特性，并进行了实验证实；Sakuta等人分析了低相位噪声振荡器的特性，并计算了有载Q值；Hayahara等人设计了△-∑A／D转换器，并对其信噪比进行了仿真；Brecl等人提出了一维、二维薄膜模型，并模拟了其接触电阻。这些表明，软件OrCAD／PSpice是现代电子电路设计的有利工具。
1 555定时器组成框图及工作原理
555定时器的图形符号及管脚图如图1所示，其中管脚1是公共端，管脚2为触发端，管脚3为输出端，管脚4为复位端，管脚5是控制电压输入端，管脚6为阈值端，管脚7是内部三极管的放电端，管脚8是电源端。
555定时器的内部电路方框图如图2所示，该集成电路由四部分组成：电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、输出缓冲器和放电三极管。
比较器的参考电压由三只5 kΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2Vcc／3和Vcc／3。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过2Vcc／3时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于Vcc／3时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时充电，开关管截止。
MR是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接Vcc。
CO是控制电压端(5脚)，平时输出2Vcc／3作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01μF的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。
2 单稳态触发器仿真分析
单稳态触发器广泛用于脉冲整形、延时及定时电路中。单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态，在无外来触发脉冲作用时，电路保持稳态不变，而当有外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态，并输出一个脉宽和幅值恒定的矩形脉冲，输出的脉冲宽度TW等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于R2，C2，则：
运行OrCAD／CaptureCIS，利用Schematics绘制的由555定时器构成的单稳态触发器电路见图3，输入信号Vi为脉冲电压源(VPULSE)，设置其参数如下：
值得注意的是，输入信号VPULSE的重复周期必须大于输出的脉冲宽度TW，输入信号VPULSE的脉宽应小于TW，才能保证每一个正倒置脉冲起作用。
利用OrCAD／PSpice 10.5的瞬态分析功能进行仿真，瞬态分析(Time Domain Transient)是指在给定输入激励信号的作用下，计算电路输出端的瞬态响应，其实质就是计算时域响应。设置瞬态分析参数从零时刻开始记录数据，到4 ms结束，最大步长为0.1 ms。进行瞬态分析后，得到图4所示的输出电压波形图，其中类似于锯齿波的是电容C2两端的电压，而方波则是555的输出端Vout的电压波形。
由图4可见，电容C2存在自动充放电过程。当触发脉冲到达时，电源Vcc通过R2给电容C2充电，从0 V充电到约3.33 V之前，555定时器的输出始终保持高电平，而一旦电容充电到3.33 V，555的输出立即转换为低电平，随后电容C2开始从3.33 V迅速放电到0 V，此后又开始新的充放电过程。在555的输出端Vout可以获得周期性的矩形脉冲，而脉冲的宽度约为1.09 ms，与理论计算值1.1R2C2相近。并且输出脉冲的宽度与输入信号VPULSE的脉宽和幅度无关。
3 施密特触发器仿真分析
用555定时器构成的施密特触发器将阀值端和触发端接在一起作为输入端。运行OrCAD／CaptureCIS，利用Schematics绘制的555定时器构成的施密特触发器电路如图5所示。输入信号Vi为三角波电压源(VPWL)，设置其参数为：
利用PSpice的瞬态分析功能进行仿真，设置瞬态分析参数从零时刻开始记录数据，到3 ms结束，最大步长为1μs，得到555的输出端Uout的电压波形与输入电压波形如图6所示。
由图6可见，该电路能将输入三角波转换成方波输出，当输入三角波电压升高，输出电平发生转换时所对应的门限电压约为8 V，而当输入三角波电压降低，输出电平发生转换时所对应的门限电压约为4 V，即上门限电压与下门限电压不同，输入与输出间具有迟滞特性。将输入信号换成正弦信号后，得到输入／输出电压的波形如图7所示，依然表现出迟滞特性，且上门限电压与下门限电压仍分别为8 V和4 V，而这正是施密特触发器电路的工作特性。仿真结果与理论计算结果的上门限电压(2／3 Vcc)和下门限电压(1／3 Vcc)相符。
4 多谐振荡器仿真分析
多谐振荡器是一种自激振荡器，接通电源后不需要外加触发信号便能自动产生矩形脉冲。运行OrCAD／Capture CIS，利用Schematics绘制的由555定时器构成的多谐振荡器电路如图8所示。
电路由一个555B芯片、两个电阻和两个电容组成，通过电阻给电容C1充电、放电的过程来产生振荡，从而输出矩形脉冲。启动PSpice瞬态分析功能，观察电容C1的端电压和555的输出端Vout的电压，得到图9所示的波形。由图9中发现555定时器构成的多谐振荡器的输出电压Vout始终保持高电平，并没有产生预期的振荡。
4.1 OrCAD／PSpice中555多谐振荡器不能起振的原因
分析可知，PSpice中555多谐振荡器不能起振的原因在于起振源。实际振荡电路之所以能自行起振是由于起振源的存在。实际振荡电路的起振源主要由两方面因素构成：一是由振荡电路晶体管内部的噪声和电路噪声(电阻热噪声等)引起；二是由电路接通电源瞬间的冲击电流引起。而直接利用PSpice对图6电路进行模拟仿真时，PSpice会将电路中的555定时器、电阻、电容、电源等元件和电路的接通过程都理想化，即电路中不能产生任何噪声和干扰。因此，没有起振源，自然就不能产生振荡。
4.2有效起振方法
经查阅相关文献[10]，并经多次实验验证，发现有多种方法可以使电路起振，现介绍其中两种最简单的方法供大家参考：
(1)给电容加初始值(IC值)，本例中只将C1和C2的IC设为0。电容上的初始电压，只是激发了振荡电路的振荡，没有改变电路起振后的输出波形，也没有影响对振荡电路起振特性的研究。
(2)在瞬态分析仿真设置(Simulstion Settings)中激活初始瞬态偏置点计算(Skip the Initial Transient Biaspoint Calculation)选项，直接使用各元件的起始条件来作瞬态分析。
两种方法都能顺利使555多谐振荡器发生起振，且持续地输出脉冲波形。
4.3仿真结果与理论计算值比较
4.3.1计算指标理论值
4.3.2 仿真值
在OrCAD／PSpice中，采用前面提出的模拟振荡电路的起振方法得到555振荡电路输出端的矩形脉冲电压波形，如图10所示。
由图10可见，电源Vcc先通过R1，R2给C1充电，使电容C1从0 V充电到2Vcc／3，接着从2Vcc／3放电到Vcc／3，又再从Vcc／3充电到2Vcc／3，电容C1形成周期性的充放电过程，从而在555的输出端Vout形成周期性的矩形脉冲波，构成多谐振荡器。由图10所示，可得输出矩形脉冲特性参数：
仿真结果表明，输出脉冲周期、占空比系数的仿真值与理论值基本相符。同时分析可知，其值只与电阻、电容值有关，电容上的初始电压，只是激发了振荡电路的振荡，并不会改变电路起振后的输出波形，也不会影响对振荡电路起振特性的研究。
5 结 语
利用OrCAD／PSpice 10.5对555定时器构成的单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器的特性进行了仿真分析。同时，针对仿真过程中多谐振荡器不起振的问题进行了讨论，提出了振荡电路的有效起振方法，仿真结果与理论计算值基本相符表明OrCAD／PSpice是电子线路设计人员必须掌握的基本工具之一。
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