使用555定时器的单稳态多谐振荡器电路图及应用实例

众所周知，单稳态多谐振荡器只有一个稳定状态。当应用触发输入时，输出端会产生一个脉冲，并在一段时间后返回稳定状态。脉冲为高电平的持续时间将取决于由电阻器 (R) 和电容器 (C) 组成的定时电路。

下图是使用555定时器作为单稳态多谐振荡器的示意图。这是IC 555的基本操作模式，它只需要两个额外的组件即可使其作为单稳态多谐振荡器工作：电阻器和电容器。

其中，引脚1和8分别连接到地和电源 (VCC)，在引脚3处进行输出。为避免电路意外复位，引脚4连接到VCC。引脚5为控制电压输入，不使用时应接地。为了滤除噪声，它通过一个电容为0.01µF的小电容器接地。

工作过程

单稳态模式也称为“单次”脉冲发生器。当向触发比较器施加负向触发脉冲时，事件序列开始。当此触发比较器检测到短的负向触发脉冲刚好低于参考电压 (1/3 VCC) 时，设备触发并且输出变为高电平。

放电晶体管关闭，外接其集电极的电容C将通过电阻R开始充电至最大值。当电容上的电荷达到2/3 VCC时，HIGH输出脉冲结束。IC 555在单稳态模式下与RC定时电路的内部连接如下所示：

最初，触发器为RESET，这将使放电晶体管达到饱和。连接到晶体管的集电极开路（CMOS情况下为漏极）的电容器C设置有放电路径。因此电容器完全放电，其两端的电压为0。引脚3的输出为低电平 (0)。

当向触发比较器（比较器2）施加负向触发脉冲输入时，它与1/3 VCC的参考电压进行比较。输出保持低电平，直到触发输入大于参考电压。当触发电压低于1/3 VCC时，比较器的输出变为高电平，这将设置触发器。因此，引脚3的输出将变为高电平。

与此同时，放电晶体管关闭，电容器C将开始充电，其两端的电压呈指数上升。这只不过是引脚6上的阈值电压。这与2/3 VCC的参考电压一起提供给比较器1。引脚3的输出将保持高电平，直到电容器两端的电压达到2/3 VCC。

在阈值电压（电容器两端的电压）变得大于参考电压的情况下，比较器1的输出变高。这将重置触发器，因此引脚3的输出将下降到低电平（逻辑 0），即输出返回到其稳定状态。由于输出低，放电晶体管被驱动至饱和，电容器将完全放电。

因此，引脚3的输出在启动时为低电平，当触发器变为小于1/3 VCC时，引脚3的输出变为高电平，当阈值电压大于2/3 VCC时，输出变为低电平，直到下一个触发脉冲的发生。在输出端产生一个矩形脉冲。输出保持高电平的时间或矩形脉冲的宽度由定时电路控制，即电容器的充电时间取决于时间常数RC。

脉宽推导过程

电容C两端的电压呈指数上升。因此，电容器电压VC的方程可以写为：VCC = VCC (1 – e ^-t/RC )

当电容电压为2/3 VCC 时，则有：

2/3 VCC = VCC (1 – e ^-t/RC )

2/3 = 1 – e ^-t/RC

e ^-t/RC = 1/3

– t/RC = ln (1/3)

– t/RC = -1.098

t = 1.098 RC

即：t ≈ 1.1 RC

所以，输出矩形脉冲的脉冲宽度为W = 1.1 RC。 另外，单稳态操作的波形如下所示：

555定时器单稳态多谐振荡器的应用

1、分频器

当IC 555用作单稳态多谐振荡器时，当在触发输入端施加一个短持续时间的负向脉冲时，输出端将提供一个正向矩形脉冲。通过调整充电或定时电路的时间间隔t，可以使该设备作为分频器电路工作。

如果时间间隔t略大于输入脉冲（触发脉冲）的时间周期，则该器件可以用作二分频电路。可以通过适当地在正时电路中选择电阻R和电容器C的值来控制时间间隔。二分频电路对应的输入输出信号波形如下图所示。

电路将触发触发输入的第一个负脉冲。结果，输出将进入高电平状态。输出将在时间间隔t内保持高电平。在此间隔期间，即使施加第二个负向触发脉冲，输出也不会受到影响，并会继续保持高电平，因为定时间隔大于触发脉冲的时间段。在第三个负向触发脉冲上，电路被重新触发。

因此，该电路将在每个交替的负向触发脉冲上触发，即每两个输入脉冲有一个输出脉冲，因此它是一个二分频电路。通过调整时间间隔，可以制作单稳态电路以产生输入频率的整数部分。

2、脉冲宽度调制器

IC 555的单稳态工作模式可以通过在引脚5上施加调制信号作为控制电压来转换为脉冲宽度调制器。使用单稳态多谐振荡器的脉冲宽度调制器的电路如下所示。

控制信号将调制阈值电压，从而调制输出脉冲宽度。随着控制电压的变化，阈值电压、比较器1的输入也不同。因此，将电容器充电到阈值电压电平的时间会有所不同，从而在输出端产生脉冲宽度调制波。输入、输出和调制信号的波形如下图所示。

由于控制信号的应用，电容器的上限阈值电压电平会有所不同。新的上限阈值水平UTL由下式给出：

UTL = 2/3 VCC + VMOD

其中VMOD是调制信号的电压。

由于新的阈值电平，输出的脉冲宽度由下式给出：

W = -RC ln (1 – UTL/VCC)

其中，输出的时间段与输入的时间段相同。

3、线性斜坡发生器

单稳态多谐振荡器将充当线性斜坡发生器，并添加恒流源。由二极管和PNP晶体管组成的电流镜用作恒流源，这个恒流源被放置在定时电阻器的位置。带有IC 555在单稳态模式下的线性斜坡发生器电路如下所示。

来自恒流源的电流IC将以恒定速率向峰值电压 (VCC) 充电，从而导致线性上升斜坡。当电容两端的电压达到2/3 VCC 时，比较器1将驱动放电晶体管饱和。结果，电容器开始放电。放电时，随着电容两端的电压下降到1/3 VCC，比较器2将关闭放电电容。

因此电容器将再次开始充电。与充电时间相比，电容器的放电时间非常短。结果，向下的斜坡非常陡峭（几乎是立即放电）。因此，斜坡输出的时间周期实际上等于电容器的充电时间。斜坡输出的时间周期大约由下式给出：

T = (2/(3 ) Vcc Re (R1+R2)C)/(R1 Vcc – Vbe (R1+R2))

斜坡发生器的斜坡输出和脉冲输出波形如下所示：

4、驱动继电器

单稳态多谐振荡器可用于驱动继电器，其电路如下图所示：

这些电路称为延时继电器。在这个电路中，继电器一旦被激活就会保持开启一段时间。继电器打开的时间可以在0到20秒之间，具体取决于计时电路中R和C的值。

例如，如果继电器要打开10秒以便为外部设备供电，则电阻器和电容器的值可以使用公式t = 1.1 RC计算如下。

假设通过电容器的值是它的最小可能值，即10µF，电阻器的值是

10 = 1.1 * R * 10µF

即：R = 909090.9090 ≈ 909KΩ。

电位器可用于调整电阻，从而调整时间延迟。

5、缺失脉冲检测器

缺失脉冲检测器的电路如下所示，PNP晶体管连接在电容器上，输入触发脉冲序列被提供给晶体管的基极端以及IC 555的引脚2触发输入：

触发脉冲序列将连续重置定时周期，因此输出总是很高。如果缺少任何触发脉冲，设备会检测到此丢失的脉冲并且输出变为低电平，具体工作如下过程如下：

当输入为0时，PNP晶体管导通，电容两端的电压被钳位到0.7 V，输出为HIGH。当输入触发电压高时，三极管截止，电容开始充电。

如果输入触发信号在计时周期完成之前再次变低，则电容器两端的电压在达到阈值电压（2/3 VCC）之前下降到0.7 V，并且输出继续保持高电平。如果输入触发信号由于缺少脉冲而在计时周期完成之前没有变低，则它允许电容器充电到阈值电压，输出将变为低电平。

为了使该电路作为一个缺失脉冲检测器工作，输入触发信号的时间周期应略小于定时间隔。因此，连续的负向输入脉冲将不允许电容器充电到阈值电压，并且输出继续保持高位。在输入频率变化或丢失脉冲的情况下，电容器将充电至阈值电压并且输出下降。输入脉冲波形、电容电压波形和输出信号波形如下图所示。

总结

众所周知，单稳态振荡器，也称为自激多谐振荡器，是一种电路零件。在电路中，单稳态多谐振荡器只有一个稳定状态。当应用触发输入时，输出端会产生一个脉冲，并在一段时间后返回稳定状态。而在实际应用中，555定时器是作为构建单稳态振荡器的常见IC器件。