【模拟电路】模拟集成电路之神-NE555

一、集成电路NE555简介
二、功能框图与引脚说明
三、比较器(运放)
四、反相门(非门)
五、或非门
六、双稳态触发器
七、NE555的工作原理

集成电路NE555的芯片手册 C5157696

一、集成电路NE555简介

NE555起源于上个世纪70年代,由美国国家半导体公司发明,到现在还是非常流行。
NE555是一种集成电路,也被称为555计时器,它广泛应用于模拟电路中。NE555集成电路具有多种应用,包括方波发生器、多谐振荡器、脉冲宽度调制器、定时器等。它是一种通用、可靠、经济实惠的电路元件,可用于各种模拟电路设计。
NE555集成电路是模拟电路中非常重要的元件之一,它的多种应用使得它在各种电子设备中广泛使用。

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NE555是一种经典的集成电路,广泛用于定时器、脉冲发生器和时序电路等应用。以下是NE555集成电路的简介:

NE555集成电路简介:

  1. 功能:

    • NE555是一款多功能定时器(timer),可以作为单稳态(monostable)或多谐振荡器(astable)使用。
  2. 工作原理:

    • NE555基于RC(电阻-电容)定时原理,其工作由外部电阻和电容决定。
  3. 引脚功能:

    • 引脚1(GND): 地(地线)。
    • 引脚2(TRIG): 触发输入。
    • 引脚3(OUT): 输出。
    • 引脚4(RESET): 外部复位。
    • 引脚5(CTRL): 电压控制输入。
    • 引脚6(THR): 閾值输入。
    • 引脚7(DISCH): 放电引脚。
    • 引脚8(VCC): 电源正极。
  4. 工作模式:

    • 单稳态模式(Monostable): 在这个模式下,NE555产生一个脉冲,其宽度由外部电阻和电容决定。
    • 多谐振荡器模式(Astable): 在这个模式下,NE555产生一个连续的方波输出,频率由外部电阻和电容决定。
  5. 应用领域:

    • 定时器: 用于生成精确的时间延迟。
    • 脉冲发生器: 产生可控制的脉冲。
    • 频率发生器: 生成可调频率的方波。
  6. 优点:

    • 简单易用,广泛应用于电子电路设计。
    • 成本低,可靠性高。
  7. 注意事项:

    • 电源电压范围和工作条件需要符合规格书中的要求。

示例标题:

【模拟电路】——NE555定时器的多功能应用:精准定时、脉冲生成和频率控制
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二、功能框图与引脚说明

1.1 功能框图

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1.2 引脚说明

引脚符 号功 能
1GND
2RTIG触发
3OUT输出
4R复位
5 C O N T R I G CON_{TRIG} CONTRIG触发控制
6 C O N T H CON_{TH} CONTH阈值控制
7DIS放电
8VCC电源

三、比较器(运放)

运放是一种电路元件,可以处理两路电信号
运放一般是通过比较输入信号的电压大小来产生输出信号的。在运放的差分输入端口,通常会接入两个电压信号,一个是(+IN)的电压,一个是(-IN)的电压。运放会通过放大、比较这两个电压信号的大小关系,然后产生一个输出电压信号。
需要配置输出的高电压,低电压和运放的阻抗。阻抗越大,运放对电路的影响越小。
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比较器(Comparator)和运放(Operational Amplifier,简称为 Op-Amp)都是电子电路中常见的元件,但它们有不同的功能和特性。

运放(Op-Amp):

  1. 功能:

    • 运放是一种差分放大器,主要用于放大信号。
  2. 特性:

    • 具有高增益。
    • 有两个输入端(非反相输入和反相输入)和一个输出端。
    • 常用于放大、滤波、积分等电路。
  3. 运算模式:

    • 反相放大器、非反相放大器、比较器等。
  4. 反馈:

    • 通常使用反馈网络来调整增益和性能。
  5. 符号:

    • 常见运放符号为一个三角形,代表放大器,有两个输入端和一个输出端。

比较器:

  1. 功能:

    • 比较器是一种用于比较两个信号大小的电路,产生高低电平输出。
  2. 特性:

    • 具有高增益,但通常比运放增益低。
    • 有两个输入端和一个输出端。
    • 输出通常是数字信号(高电平或低电平)。
  3. 运算模式:

    • 主要用于比较两个输入信号的大小。
  4. 反馈:

    • 通常没有明确的反馈网络。
  5. 符号:

    • 比较器的符号通常类似于运放,但通常有一个附加的箭头,表示输出是数字化的。

比较:

  1. 功能差异:

    • 运放主要用于放大信号,而比较器主要用于比较信号。
  2. 输出类型:

    • 运放输出是模拟信号,比较器输出是数字信号。
  3. 应用领域:

    • 运放广泛应用于放大和信号处理电路,而比较器主要用于触发和比较应用,如电压比较、开关控制等。
  4. 反馈:

    • 运放通常使用反馈来调整增益和性能,而比较器通常没有明确的反馈。

总体而言,运放和比较器在电路设计中有不同的应用场景,根据具体的设计需求选择合适的元件。

比较器和运算放大器(运放)

比较器和运放(运算放大器)都是在电子电路中常见的元件,但它们有不同的功能和特性。下面分别介绍比较器和运放:

比较器:

  1. 基本原理:

    • 比较器是一种电路元件,用于比较两个输入信号的大小,并产生相应的输出信号。输出通常是一个逻辑高(高电平)或逻辑低(低电平)的信号,表示其中一个输入大于另一个。
  2. 特性和应用:

    • 开环增益高: 比较器通常具有很高的开环增益,使其对输入信号的小变化非常敏感。
    • 快速响应: 适用于高速比较需求。
    • 应用: 用于数字电路中的比较、触发器、开关控制等。
  3. 工作模式:

    • 比较器一般工作在开环模式,不反馈输出到输入。
  4. 输出:

    • 输出为高电平或低电平,表示输入之间的比较关系。

运算放大器(运放):

  1. 基本原理:

    • 运算放大器是一种有差分输入的放大器,具有高开环增益和很低的输入阻抗。它可以用于放大差分信号,也可以用作比较器。
  2. 特性和应用:

    • 高增益: 运放具有很高的开环增益,但通常需要反馈网络来实现特定功能。
    • 线性放大: 适用于需要精确放大和线性响应的应用。
    • 应用: 在放大器、滤波器、积分器、微分器等电路中广泛应用。
  3. 工作模式:

    • 运放通常在闭环模式下工作,即输出反馈到输入以实现所需的电路功能。
  4. 输出:

    • 输出取决于反馈网络和输入信号,通常是放大过的输入信号。

总体来说,比较器主要用于比较输入信号的大小,而运算放大器则更灵活,可用于各种放大和信号处理应用。在一些特殊情况下,运算放大器也可以被配置为比较器的功能。
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四、反相门(非门)

高电压变低电压,低电压变高电压
非门(NOT gate):非门是一种只有一个输入端口和一个输出端口的逻辑门,它的输出等于输入的反向,即当输入为高电平时,输出为低电平,反之亦然。因此,非门有时也被称为"反相器"。
下边是两种常见的画法。
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反相门通常是指逻辑门电路中的一种,也被称为非门(NOT gate)。这种门电路执行的操作是对输入信号进行反相,即如果输入是高电平,则输出为低电平,反之亦然。这是一种基本的数字逻辑门,常用的符号是一个三角形,表示反相器的功能。

下面是反相门(非门)的基本信息:

  1. 逻辑符号: 反相门的逻辑符号通常用一个圆圈表示,这个圆圈放在输入端之前,表示对输入进行反相。符号如下:

    ┌───┐
    │   │
    │   O
    │   │
    └───┘
    
  2. 逻辑功能: 如果输入为逻辑高电平(1),则输出为逻辑低电平(0),反之亦然。

  3. 真值表: 反相门的真值表如下:

    输入输出
    01
    10
  4. 公式表示: 逻辑代数中,反相门的运算可以用 Y = A ‾ Y = \overline{A} Y=A 表示,其中 (Y) 是输出,( A ‾ \overline{A} A) 是输入。

  5. 应用: 反相门常常用于数字电路中,例如构建逻辑电路、存储器、计算机等。

逻辑门电路是数字电路中的基本构建块,它们执行各种逻辑运算,包括与、或、非等。反相门在数字逻辑设计中具有重要作用,可以用于构建其他逻辑门和电路。
反相门,通常称为非门(NOT Gate),是数字电子电路中的一种基本逻辑门。它的主要功能是将输入信号反转,即如果输入是高电平,则输出是低电平;如果输入是低电平,则输出是高电平。非门的逻辑符号常用一个小圆圈表示,放在输入端前面。

非门的基本功能是取反,如果输入是真,则输出是假;如果输入是假,则输出是真。

非门在数字电路中有广泛的应用,它是构建其他逻辑门和数字电路的基石。通过组合非门和其他逻辑门,可以实现各种复杂的数字逻辑功能。

也叫反相器

在数字电子电路中,可能存在不同的术语来表示对输入信号进行反转或取反的元件。除了之前提到的 “非门”(NOT Gate)之外,有时候也会使用 “反相器”(Inverter)这个术语。这两个术语通常可以互换使用,表示相同的基本逻辑功能。

反相器(Inverter)的主要功能是将输入信号反转。如果输入是高电平,则输出是低电平;如果输入是低电平,则输出是高电平。逻辑符号上,反相器通常用一个小圆圈表示,放在输入端前面,与非门的逻辑符号相同。

反相器的真值表如下:

输入 (A)输出 (Q)
01
10

逻辑符号:

   ---
A |   | Q---  

总体而言,无论是非门还是反相器,它们的基本逻辑功能都是将输入信号取反。这两个术语在不同的上下文中可能会被用来描述相同的逻辑门。
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五、或非门

电子电路中一种常见的元器件
或非门(NOR gate)是电子电路中常见的一种逻辑门。或非门的输出信号取决于所有输入信号的状态,但是只要有一个输入信号是高电平,那么它的输出信号就会是低电平;只有当所有的输入信号都是低电平时,它的输出信号才会是高电平。
换句话说,或非门就像一个大门,只有所有的输入都是关着的(低电平),才会打开大门(输出高电平),否则大门就会保持关闭(输出低电平)。
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“或非门”(NOR Gate)是数字电子电路中的一种逻辑门,它是或门和非门的组合。或非门的输出是对输入进行或运算,然后再取反。

或非门的逻辑符号通常用一个带有小圆圈的凸形表示,表示对或门的输出进行取反。以下是或非门的真值表:

输入 (A)输入 (B)输出 (Q)
001
010
100
110

逻辑符号:

   ---
A |   | \---  |  >-- Q
B |   | /---  

或非门的输出是两个输入进行或运算,然后再取反。如果输入中至少有一个是高电平,则输出是低电平;只有当两个输入都是低电平时,输出是高电平。这使得或非门的输出与或门的输出相反。

六、双稳态触发器

电子电路中一种常见的元器件

  1. 有两个稳定状态低电压0态和高电压1态;
  2. 能根据输入信号S将触发置成0或1态;
  3. 输入信号消失后,被置成的0或1态能保存下来,
  4. 即具有记忆功能,直到R端高电压重置为止。
    输出的电压根据你第一次输入的电压相关,具有记忆功能,直到R端被高电压电压重置。
    在这里插入图片描述

双稳态触发器:

双稳态触发器,也称为双稳态多谐振荡器,是一种电子电路,可以处于两种不同的稳定状态之一。这两种状态可以互相切换,形成一个振荡器。

常见的双稳态触发器包括双稳态多谐振荡器 (Bistable Multivibrator) 和斯托克斯触发器 (Schmitt Trigger)。这些电路具有两个稳定状态,可以通过输入信号的变化在这两种状态之间切换。

  1. 双稳态多谐振荡器 (Bistable Multivibrator):

    • 也称为RS触发器 (RS Flip-Flop)。
    • 两个互补的输入(通常称为S和R)用于设置和复位触发器。
    • 当S为1,R为0时,触发器处于“置位”状态;当S为0,R为1时,触发器处于“复位”状态。
    • 稳定状态之间的切换由输入信号引起。
  2. 斯托克斯触发器 (Schmitt Trigger):

    • 一种带有滞回特性的比较器电路。
    • 具有两个阈值电压,通过这两个电压可以实现输入信号的增益和去抖动效果。
    • 输入信号经过比较后,输出状态在高和低之间切换。

这些双稳态触发器在数字电路和模拟电路中广泛应用,用于存储数据、时序控制和信号处理等方面。在数字系统中,它们构成了寄存器、触发器和其他存储元件的基础。

双稳态触发器,也称为双稳态多谐振荡器(Multivibrator),是一种能够在两个稳态之间切换的电路。最常见的双稳态触发器类型之一是双稳态门电路,包括 RS 触发器(Reset-Set触发器)。

RS触发器的基本形式:

RS触发器有两个输入:Set(S)和Reset(R)。其双稳态性质使得输出可以在两种状态(高电平或低电平)之间切换。

RS触发器的真值表:

SRQ (Output)Explanation
00Q(t-1)No change
010Reset (Q = 0)
101Set (Q = 1)
11InvalidUndefined behavior

工作原理:

  1. 当S=0,R=0时,输出保持上一个状态。
  2. 当S=0,R=1时,触发器被复位,输出Q变为0。
  3. 当S=1,R=0时,触发器被设置,输出Q变为1。
  4. 当S=1,R=1时,触发器的行为是不确定的,因为这种状态下可能导致矛盾。

应用:

双稳态触发器在数字电路中被广泛用于时序电路、计数器、以及其他需要控制状态变化的电路中。不同的触发器类型具有不同的特性和适用场景。

锁存

锁存器(Latch)

锁存器是一种数字电路元件,用于存储和保持信息状态。它可以被看作是一种存储器件,能够存储输入信号的状态,并在需要时将其输出。

基本类型的锁存器有两种:

  1. RS锁存器(Reset-Set锁存器):

    • 原理: 由两个交叉连接的反馈环组成,其中一个环控制复位(Reset),另一个环控制设置(Set)。
    • 功能: 允许数据的存储和保持,通过输入信号设置或清除。
  2. D锁存器(Data锁存器):

    • 原理: 由一个存储器单元和控制电路组成,其中输入数据直接写入存储单元。
    • 功能: 通过控制信号对输入数据进行存储。

RS锁存器的真值表:

SRQ (Output)Explanation
00Q(t-1)No change
010Reset (Q = 0)
101Set (Q = 1)
11InvalidUndefined behavior

D锁存器的特性:

  • 有一个数据输入(D)和一个时钟输入(Clock)。
  • 在时钟信号作用下,将输入数据写入存储单元。
  • 可以实现数据存储和保持,适用于时序电路。

应用:

  • 锁存器在数字电路中被广泛应用,用于存储中间结果、暂时保存数据、实现状态保持等。在时序电路、寄存器、存储器等电路中都可以看到锁存器的身影。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
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七、NE555的工作原理

NE555是一款非常经典的定时器集成电路,常被用于产生各种类型的脉冲波形。其工作原理主要基于一个内部比较器和外部电阻、电容的组合。

以下是NE555的基本工作原理:

  1. 基本引脚:

    • Vcc(电源电压): 提供芯片的电源,通常连接到正电源。
    • GND(地): 连接到电源的地。
    • CV(控制电压): 用于连接外部电容,控制电容的充电和放电。
    • TRIG(触发器): 连接到外部电阻和电容,用于触发555的工作。
    • OUT(输出): 提供脉冲波形的输出。
    • DISCH(放电): 用于连接外部电容,参与电容的放电过程。
    • RST(复位): 用于手动复位或连接到外部电路进行复位。
  2. 工作过程:

    • 当电源打开时,电容 (C) 开始通过 (CV) 引脚充电,同时 (TRIG) 引脚也开始触发。
    • 当电容电压达到 (2/3) 的 (Vcc) 时,内部比较器将 (OUT) 引脚从低电平切换到高电平,同时电容开始放电。
    • 当电容电压降到 (1/3) 的 (Vcc) 时,内部比较器将 (OUT) 从高电平切换到低电平,电容再次开始充电,形成一个循环。
  3. 周期和占空比:

    • 周期 (T) 由外部电阻 (R) 和电容 (C) 决定,公式为 (T = 0.693 \times (R1 + 2 \times R2) \times C)。
    • 占空比 (D) 为高电平时间占整个周期的比例,公式为 (D = (R1 + R2) / (R1 + 2 \times R2))。

通过调整外部电阻和电容的数值,可以改变NE555的输出频率和波形。NE555被广泛应用于定时器、脉冲发生器、脉冲宽度调制等应用领域。

完整的NE555的原理图

在这里插入图片描述

参考数据手册接出应用线路

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步骤如下

  1. 8号引脚和7号引脚之间接一个1k电阻
  2. 7号引脚和6号引脚之间接一个100K电阻
  3. 6号引脚和2号引脚之间短接
  4. 2号引脚连接一个100nf的电容
  5. 4号引脚拉高,不重置芯片
  6. 5号引脚可以接一个0.01uf的电容滤波

仿真观察

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认真观察3号引脚输出的波形
这是一个典型的振荡器的波形,
周期性的输出高电平和低电平。
电容的充放电时间就是一个周期。

NE555工作原理

NE555是一种常用的集成电路,也被称为555定时器。它可以用来产生各种类型的脉冲波形,包括方波、脉冲、正弦波等。其工作原理是基于内部比较器、多种外部电阻和电容等元件构成的时序电路。NE555通常由电源电压Vcc、地GND、控制电压CV、输出OUT和复位RST等引脚组成。

NE555的工作原理是:当电源电压Vcc被接通时,电路开始工作,电容器C开始充电,直到其电压达到2/3的Vcc时,内部比较器的输出将变为高电平。此时,输出OUT也会由低电平变为高电平。当电容器C电压下降到1/3的Vcc时,内部比较器的输出将变为低电平,此时输出OUT也会由高电平变为低电平。电容器C又开始充电,电路又开始了一个新的周期。

周期T(秒)是由外部电容器C和两个外部电阻R1、R2的值决定的,公式为T=0.693×(R1+2×R2)×C。占空比D是指方波周期中高电平的时间比例,公式为D=(R1+R2)/(R1+2×R2)。因此,通过改变电容器C和电阻R1、R2的值,可以改变方波波形的周期和占空比。

总之,NE555工作的原理是基于时序电路的构建,通过改变外部电容器和电阻的数值来控制周期和占空比,实现各种脉冲波形的产生。

一般我们用芯片计算公式都会在里面给出,如果大家纠结公式的细节,就需要好好学习电学的各种知识。不过我们工程师以应用为主的话,只需要看数据手册就可以了。

0.693是自然对数e的一个近似值,通常也用符号ln(2)表示。在NE555定时器的工作原理中,0.693是指电容器C充电或放电的时间常数,可以用来计算电容器充电或放电的时间。具体来说,当电容器充电或放电时,其电压会以指数形式增加或减小,电容器电压到达63.2%(即1-1/e)时,电容器的充电或放电时间就等于0.693×R×C,其中R是电阻的值,C是电容器的电容值。因此,0.693常常被用于计算电容器充电或放电的时间。在NE555定时器中,由于电容器充电或放电的时间常数是0.693×(R1+2×R2)×C,所以0.693也会出现在计算定时器的周期和占空比的公式中。
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