555定時(shí)器的應(yīng)用及OrCAD/PSpice仿真

本文以OrCAD／PSpice 10.5為工具，對555定時(shí)器構(gòu)成的三種典型電路進(jìn)行仿真分析，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

555定時(shí)器是一種將模擬功能與數(shù)字(邏輯)功能緊密結(jié)合在一起的中小規(guī)模單片集成電路。它功能多樣，應(yīng)用廣泛，只要外部配上幾個(gè)阻容元器件即可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路，是脈沖波形產(chǎn)生與變換的重要元器件，廣泛應(yīng)用于信號的產(chǎn)生與變換、控制與檢測、家用電器以及電子玩具等領(lǐng)域。

OrCAD／PSpice作為國際上著名的電子設(shè)計(jì)自動化軟件之一，具有仿真速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，與印制版設(shè)計(jì)軟件配合使用，還可實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動化，被公認(rèn)是通用電路模擬程序中最優(yōu)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(shí)域模型；Du等人提出了一種從三維時(shí)域場分析提取S參數(shù)的方法；Zhang等人仿真了E類功率放大器的特性，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)證實(shí)；Sakuta等人分析了低相位噪聲振蕩器的特性，并計(jì)算了有載Q值；Hayahara等人設(shè)計(jì)了△-∑A／D轉(zhuǎn)換器，并對其信噪比進(jìn)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(xiàn)代電子電路設(shè)計(jì)的有利工具。


1 555定時(shí)器組成框圖及工作原理

555定時(shí)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(fā)端，管腳3為輸出端，管腳4為復(fù)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(nèi)部三極管的放電端，管腳8是電源端。


555定時(shí)器的內(nèi)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(fā)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(gòu)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(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號輸入并超過2Vcc／3時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時(shí)放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于Vcc／3時(shí)，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時(shí)充電，開關(guān)管截止。

MR是復(fù)位端，當(dāng)其為0時(shí)，555輸出低電平。平時(shí)該端開路或接Vcc。

CO是控制電壓端(5腳)，平時(shí)輸出2Vcc／3作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個(gè)輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時(shí)，通常接一個(gè)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(wěn)定。

T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。

2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器仿真分析

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器廣泛用于脈沖整形、延時(shí)及定時(shí)電路中。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在無外來觸發(fā)脈沖作用時(shí)，電路保持穩(wěn)態(tài)不變，而當(dāng)有外來觸發(fā)脈沖作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，并輸出一個(gè)脈寬和幅值恒定的矩形脈沖，輸出的脈沖寬度TW等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間取決于R2，C2，則：


運(yùn)行OrCAD／CaptureCIS，利用Schematics繪制的由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路見圖3，輸入信號Vi為脈沖電壓源(VPULSE)，設(shè)置其參數(shù)如下：


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

利用OrCAD／PSpice 10.5的瞬態(tài)分析功能進(jìn)行仿真，瞬態(tài)分析(Time Domain Transient)是指在給定輸入激勵(lì)信號的作用下，計(jì)算電路輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)，其實(shí)質(zhì)就是計(jì)算時(shí)域響應(yīng)。設(shè)置瞬態(tài)分析參數(shù)從零時(shí)刻開始記錄數(shù)據(jù)，到4 ms結(jié)束，最大步長為0.1 ms。進(jìn)行瞬態(tài)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(dāng)觸發(fā)脈沖到達(dá)時(shí)，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(shí)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(zhuǎn)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(jì)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(guān)。

3 施密特觸發(fā)器仿真分析

用555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器將閥值端和觸發(fā)端接在一起作為輸入端。運(yùn)行OrCAD／CaptureCIS，利用Schematics繪制的555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路如圖5所示。輸入信號Vi為三角波電壓源(VPWL)，設(shè)置其參數(shù)為：


利用PSpice的瞬態(tài)分析功能進(jìn)行仿真，設(shè)置瞬態(tài)分析參數(shù)從零時(shí)刻開始記錄數(shù)據(jù)，到3 ms結(jié)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(zhuǎn)換成方波輸出，當(dāng)輸入三角波電壓升高，輸出電平發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)所對應(yīng)的門限電壓約為8 V，而當(dāng)輸入三角波電壓降低，輸出電平發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)所對應(yīng)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(xiàn)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(fā)器電路的工作特性。仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)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(fā)信號便能自動產(chǎn)生矩形脈沖。運(yùn)行OrCAD／Capture CIS，利用Schematics繪制的由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖8所示。


電路由一個(gè)555B芯片、兩個(gè)電阻和兩個(gè)電容組成，通過電阻給電容C1充電、放電的過程來產(chǎn)生振蕩，從而輸出矩形脈沖。啟動PSpice瞬態(tài)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(fā)現(xiàn)555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器的輸出電壓Vout始終保持高電平，并沒有產(chǎn)生預(yù)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(shí)際振蕩電路之所以能自行起振是由于起振源的存在。實(shí)際振蕩電路的起振源主要由兩方面因素構(gòu)成：一是由振蕩電路晶體管內(nèi)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(jìn)行模擬仿真時(shí)，PSpice會將電路中的555定時(shí)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(chǎn)生任何噪聲和干擾。因此，沒有起振源，自然就不能產(chǎn)生振蕩。

4.2有效起振方法

經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[10]，并經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)有多種方法可以使電路起振，現(xiàn)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(shè)為0。電容上的初始電壓，只是激發(fā)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(tài)分析仿真設(shè)置(Simulstion Settings)中激活初始瞬態(tài)偏置點(diǎn)計(jì)算(Skip the Initial Transient Biaspoint Calculation)選項(xiàng)，直接使用各元件的起始條件來作瞬態(tài)分析。

兩種方法都能順利使555多諧振蕩器發(fā)生起振，且持續(xù)地輸出脈沖波形。

4.3仿真結(jié)果與理論計(jì)算值比較

4.3.1計(jì)算指標(biāo)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(gòu)成多諧振蕩器。由圖10所示，可得輸出矩形脈沖特性參數(shù)：


仿真結(jié)果表明，輸出脈沖周期、占空比系數(shù)的仿真值與理論值基本相符。同時(shí)分析可知，其值只與電阻、電容值有關(guān)，電容上的初始電壓，只是激發(fā)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(jié) 語

利用OrCAD／PSpice 10.5對555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器和多諧振蕩器的特性進(jìn)行了仿真分析。同時(shí)，針對仿真過程中多諧振蕩器不起振的問題進(jìn)行了討論，提出了振蕩電路的有效起振方法，仿真結(jié)果與理論計(jì)算值基本相符表明OrCAD／PSpice是電子線路設(shè)計(jì)人員必須掌握的基本工具之一。