Режимы работы:

555 имеют три режима работы: моностабильный, нестабильный и бистабильный. Каждый режим представляет собой отдельный тип схемы с определенным выходом.

Астабильный режим (автономный режим):

Нестабильный режим не имеет стабильного состояния, поэтому он назван нестабильным режимом.Выход непрерывно переключает состояние между высоким и низким без каких-либо изобретений со стороны пользователя, что называется волной. Этот режим работы может использоваться для управления скоростью двигателей путем постоянного включения и выключения двигателя через равные промежутки времени, используемых в импульсных лампах и светодиодах. Его можно использовать в качестве тактового импульса для цифровых микросхем. Может использоваться как делитель частоты, а также как импульсный с модулятором.

Моностабильный режим (одноразовый):

В этом режиме работы выход остается в низком состоянии до тех пор, пока не сработает триггерный вход.Этот тип операции используется в системах «нажми и работай». Когда срабатывает вход, выход переходит в высокое состояние и возвращается в исходное состояние.

Бистабильный режим (триггер Шмитта):

В бистабильном состоянии он имеет два стабильных состояния. Если на входе триггера установлен низкий уровень, выход схемы становится высоким, а на входе сброса — низкий уровень, выход схемы переходит в состояние низкого уровня. Этот режим можно использовать в автоматизированной железнодорожной системе.

Таймер 555 как нестабильный мультивибратор или в моностабильном режиме

Таймер 555 — очень популярная и универсальная интегральная схема, которую можно использовать в качестве нестабильных или моностабильных мультивибраторов.Штыревые соединения очень легко запомнить. В режиме нестабильного мультивибратора мы закоротили контакты 2 и 6. Если закорочены контакты № 6 и 7, это называется моностабильным мультивибратором. Во-первых, давайте разберемся с нестабильным мультивибратором. Соединения остаются постоянными для контактов № 4 и 8, контакт сброса подключен к положительному источнику питания, а контакт 3 является выходным.

Конденсатор c1 заряжается через R2 и R3. Когда напряжение на конденсаторе составляет 2/3 напряжения питания, пороговый компаратор определяет это и переводит внутреннюю схему в другое состояние.Затем выходной сигнал становится низким, и разрядный транзистор включается. Конденсатор теперь разряжается через резистор R2, напряжение падает до 1/3 напряжения питания. В этот момент компаратор ‘триггера’ определяет напряжение конденсатора и переводит схему обратно в исходное состояние. Цикл непрерывно повторяется, и на выходе получается прямоугольный сигнал. Выходной сигнал высокий, когда конденсатор заряжается, и низкий, когда конденсатор разряжается.

Использование таймеров 555 в качестве цепей задержки:

Вышеупомянутая схема представляет собой моностабильную мультивибрационную схему, использующую таймер 555 IC.Мы можем использовать его в качестве схемы задержки с рабочей средой, которая обеспечивает второй выходной уровень: низкий уровень напряжения (логический 0) и высокий уровень напряжения (логическая 1), что приводит к выходному выводу 3 из 555 таймеров.

Выходной сигнал обычно низкий, но он будет повышаться на короткое время в зависимости от значений других компонентов. Значения R и C могут использоваться для определения периода времени выходного импульса. Вход обычно высокий и переходит в низкий, когда применяется триггерный вход.Конденсатор развязывает схему, чтобы избежать воздействия на другие части схемы. Период времени можно рассчитать по формуле:

T = 1,1 RC

Минимальное значение R должно быть около 1 К, чтобы избежать протекания слишком большого тока в таймер 555. Существует несколько применений микросхемы таймера 555, использующих в моностабильном режиме работы, например, отсутствие обнаружение импульсов, переключатели без дребезга, сенсорные переключатели, делитель частоты и т. д.

Работа цепи задержки таймера

В схеме используется таймер 555 в моностабильном режиме. Когда кнопка нажимается один раз, вывод 2 таймера становится низким, чтобы обеспечить высокий выходной сигнал на выводе 3. Когда вывод 3 переходит в высокий уровень, сигнал проходит через транзистор, чтобы включить лампу.

Контакт реле, наконец, приводит в действие любую внешнюю нагрузку переменного тока. Время задержки определяется резисторами R1 и C1. Конденсатор на выводе 5 таймера, возможно, придется увеличить до 2 мкФ электролитического типа, если имеет место ложное срабатывание.

Нагрузка, управляемая реле с задержкой по времени

Приведенная выше принципиальная схема может быть использована для разработки переключателя на основе временной задержки для управления любой нагрузкой. Таймер 555 в моностабильном режиме работы может использоваться для включения и выключения нагрузки в течение фиксированного времени. Что касается периода времени моностабильного 1.1 RC, более высокое значение сопротивления, установленное предустановкой, дает большее время. В течение максимального времени лампа включается, а затем выключается.Схема состоит из простых регулируемых схем для управления фактическим реле. Текущая грузоподъемность нагрузки может регулироваться типом используемого реле.

Видео на таймере 555 в качестве нестабильного мультивибратора или в моностабильном режиме

Моностабильные мультивибраторы имеют только одно стабильное состояние, которое сохраняется до появления входного импульса. Он производит одиночный импульс, когда он находится в состоянии запуска, затем он возвращается в свое нормальное состояние через определенный период времени. На выходе высокий уровень, когда на входе низкий, и на выходе низкий, когда на входе высокий.

556 Таймеры

Таймер 556 — это двойная версия таймеров 555. Другими словами, в него встроены два таймера 555, работающих отдельно. Версии CMOS предлагают улучшенные характеристики для определенных приложений. Два таймера работают независимо друг от друга, используя только Vs и землю. Схема может запускаться и сбрасываться при падающих сигналах. Таймер 556 представляет собой 14-контактную конфигурацию, показанную на рисунке. Каждый таймер имеет собственный порог, триггер, разряд, управление, сброс и выходные контакты.Эта ИС может использоваться как для генератора, так и для генератора импульсов благодаря наличию двух отдельных таймеров 555. Обычно таймер 555 используется как генератор в нестабильном режиме, тогда как он используется как генератор импульсов в моностабильном режиме.

Описание контакта:
ЗАЗЕМЛЕНИЕ: Заземление (0 В)
ТРИГГЕР: Короткий импульс от высокого к низкому на триггере запускает таймер
ВЫХОД: Во время временного интервала выход остается на + Vs / Vcc
RESET: Временной интервал может быть прерван подачей импульса сброса на низкий уровень (0V)
CONTROL: Управляющее напряжение позволяет получить доступ к внутреннему делителю напряжения (2 / 3Vcc)
THRESHOLD: Пороговое значение на котором интервал заканчивается (он заканчивается, если 2/3 Vcc)
РАЗРЯД: Выход с открытым коллектором; может разряжать конденсатор между интервалами
В, Vcc: Положительное напряжение питания, которое должно быть между 3 и 15 В.

Характеристики:

• Прямая замена для SE556 / NE556
• Время от микросекунд до часов
• Работает как в нестабильном, так и в моностабильном режимах
• Заменяет два таймера 555
• Регулируемый рабочий цикл
• Выход может быть источником или потребителем 200 мА
• Выход и питание TTL-совместимы
• Температурная стабильность лучше 0,005% при C
• Нормально включен и нормально выключен выход
• Низкое время выключения, менее 2 мкс

Приложений:

• • Точное время
  • Генерация импульсов
  • Последовательная синхронизация
  • Управление светофором
  • Генерация задержки времени
  • Широтно-импульсная модуляция и позиционная модуляция
  • Генератор линейной рампы
  • Промышленное управление

Применение таймера 556:

С двумя таймерами в одном корпусе 556 идеально подходит для приложений с последовательной синхронизацией.Выход первого таймера соединен со входом второго таймера через конденсатор емкостью 0,001 мкФ.

В схеме контакты 2 и 6 являются пороговыми и триггерными входами для первого таймера, а контакт 5 — выходом. Выход на контакте 5 всегда будет инверсным входу на контактах 2 и 6. Аналогично, выход на контакте 9 второго таймера всегда будет обратным входу на контактах 8 и 12. Во время работы 0,001 мкФ Конденсатор будет заряжаться до любого напряжения, присутствующего на выходе на выводе 5, напряжение конденсатора будет подано на вход другого таймера, который изменит состояние обоих таймеров и включит или выключит.Задержка t1 определяется первой половиной, а t2 — второй половиной задержки. Первая половина таймера запускается мгновенным подключением контакта 6 к земле. По истечении тайм-аута начинается второй тайм. Его продолжительность определяется 1.1R2C2.

7555 Таймеры

Таймер 7555 — это маломощное устройство CMOS RC, обеспечивающее значительную производительность по сравнению со стандартными биполярными таймерами 555. Это стабильный контроллер, способный воспроизводить точные временные задержки или частоты.В однократном режиме или в моностабильном режиме ширина импульса каждой цепи точно регулируется одним внешним резистором и конденсатором. Для нестабильной работы в качестве генератора частота холостого хода и рабочий цикл точно регулируются двумя внешними резисторами и одним конденсатором.

Таймер 7555 имеет 8 контактов, как показано на рисунке. К этим дополнительным функциям THRESHOLD, TRIGGER и RESET добавлены широкий диапазон рабочего напряжения питания и улучшенные характеристики на высоких частотах.

Описание выводов таймера 7555:
Вывод 1-GND: Земля, низкий уровень (0 В)
Вывод 2- (ТРИГГЕР) ̅: OUT возрастает, и интервал начинается, когда этот вход падает ниже 1/3 VDD (Активный низкий уровень)
Контакт 3-ВЫХОД: Этот выход подключен к + VDD или GND
Контакт 4- (СБРОС) ̅: Временной интервал может быть прерван, если этот вход переведен на GND (Активный низкий уровень)
Контакт 5-КОНТРОЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ: Управляющий доступ к внутреннему делителю напряжения (по умолчанию 2/3 VDD)
Контакт 6-ПОРОГ: Интервал заканчивается, когда напряжение на пороге больше, чем при управляющем напряжении
Контакт 7- РАЗРЯД: Выход с открытым коллектором; может разряжать конденсатор между интервалами
Контакт 8-VDD: Положительное напряжение питания обычно составляет от 3 В до 15 В

Особенности 7555 Таймер:

• Точный эквивалент в большинстве случаев для 555
• Низкий ток питания 7555-60 мкА, низкий входной ток 20 пА
• Высокоскоростная работа Типичные колебания 1 МГц при 5 В
• Гарантированный диапазон напряжения питания от 2В до 18В
• Температурная стабильность — 0.005% / ° C при + 25 ° C
• Нормальная функция сброса, отсутствие прерывания питания во время переключения выхода
• Может использоваться с элементами синхронизации с более высоким импедансом, чем обычный 555, для более длительных постоянных времени RC
• Время от микросекунд до часов
• Работает как в нестабильном, так и в моностабильном режимах
• Фиксированный рабочий цикл 50% или регулируемый рабочий цикл
• Источник с высоким выходом может управлять TTL / CMOS
• Высокоскоростная монолитная КМОП-технология с низким энергопотреблением

Применение таймера 7555:

• Таймер с большой задержкой
• Высокоскоростной однозарядный
• Точное время
• Таймер синхронизированный
• Широтно-импульсная модуляция и позиционная модуляция
• Детектор отсутствия импульсов

Входы и выходы полностью совместимы с логикой CMOS, и каждый таймер способен создавать точные временные задержки и колебания как в нестабильной, так и в моностабильной работе с одним резистором и конденсатором.Давайте посмотрим на моностабильную работу и нестабильную работу таймеров 7555.

Моностабильная работа 7555 Таймер:

В моностабильном режиме таймер действует как однократный. Первоначально внешний конденсатор удерживается разряженным с помощью разрядного выхода. При подаче отрицательного TRIGGER-импульса на контакт 2 напряжение на конденсаторе начинает экспоненциально изменяться в зависимости от Ra и повышает выходной уровень. Когда напряжение на конденсаторе равно 2/3 VDD, компаратор сбрасывает триггер, который, в свою очередь, быстро разряжает конденсатор, а также переводит выход в низкое состояние.TRIGGER должен вернуться в высокое состояние, прежде чем выход сможет вернуться в низкое состояние.

Нестабильная работа таймеров 7555:

Нестабильный режим показан на рисунке. Это обеспечивает выходную скважность 50% при использовании одного синхронизирующего резистора и конденсатора. Форма волны генератора на конденсаторе является симметричной и треугольной от 1/3 до 2/3 напряжения питания. Генерируемая частота f = 1 / 1.4RC.

555 Astables

• Изучив этот раздел, вы должны уметь:
• • Разберитесь в основных принципах работы таймера 555.
• • Изучите работу таймера 555 в нестабильном режиме.
• • Определите постоянные времени в таймере 555.
• • Рассчитайте частоту таймера 555 в нестабильном режиме.

Астабильные генераторы с таймером 555

Популярным способом реализации нестабильного генератора прямоугольных импульсов является использование микросхемы таймера 555. Это одна из наиболее распространенных микросхем таймера, которая имеет множество различных применений.Помимо использования для создания нестабильных генераторов, он также может использоваться в моностабильном режиме, когда входной импульс используется для запуска временной задержки, установленной постоянной времени RC, в течение которой выходной вывод переходит на высокий уровень (+ Vcc). а затем возвращается к 0 В, чтобы дождаться следующего триггерного импульса на входном выводе IC.

Микросхема таймера 555

Рис. 4.3.1 Таймер 555 IC

Модель 555 в нестабильной конфигурации может использоваться для генерации прямоугольного сигнала с несколькими вариациями:

• • Прямоугольная волна с равномерным или неравномерным отношением отметки к пространству
• • Цепь импульсов
• • Широтно-импульсная модуляция
• • Импульсная модуляция положения
• • Частотная модуляция

Внутренние компоненты микросхемы таймера 555 вместе с выводом микросхемы показаны на рис.4.3.1, функции штифтов следующие:

Контакт 1. Gnd = заземление.

Контакт 2. Триггер = триггер (активный низкий уровень).

Этот активный нижний вывод (обозначенный горизонтальной полосой над его названием) обычно имеет высокий уровень (+ Vcc), но когда он на мгновение становится низким (ниже 1/3 Vcc), он инициирует последовательность внутренних событий, которые делают вывод (вывод 3) перейти в высокий уровень в течение периода времени, установленного значением внешней постоянной времени RC.

Контакт 3. Out = Выход.

Выходной сигнал становится высоким (до + Vcc) в течение периода постоянной времени, затем возвращается к 0V.Когда ИС работает в нестабильном режиме, задействованы две постоянные времени, одна регулирует высокий уровень, а другой — низкий уровень. Выход может потреблять и потреблять до 200 мА, что делает его способным управлять рядом часто используемых устройств, таких как светодиоды, реле, лампы и небольшие двигатели, без необходимости использования внешних каскадов драйверов.

Контакт 4. Res = Сброс (активный низкий уровень).

Обычно высокий уровень, но когда он принимается низким, выход Q внутреннего бистабильного устройства сбрасывается в свое низкое состояние, а Q (инверсия Q) переходит в свое высокое состояние.Это немедленно делает выход (вывод 3) 0 В, а также заставляет разрядный транзистор разряжать внешний конденсатор постоянной времени. Если на выводе сброса снова устанавливается высокий уровень, выход остается в состоянии сброса (0 В) до тех пор, пока ИС не сработает еще раз с помощью входного триггерного импульса на контакте 2. В схемах, где сброс не требуется, он обычно подключается непосредственно к + Vcc. Штифт сброса также может использоваться в качестве элемента управления «Запрет». Например, его можно использовать для предотвращения действия нестабильного генератора, управляющего зуммером, до тех пор, пока не потребуется его сигнал.

Pin 5. Ctrl = Control.

Вывод 5 позволяет подавать переменное напряжение для управления длительностью постоянной времени RC, и поэтому может использоваться для изменения частоты и / или отношения метки к пространству, используемого при генерации выходной волны. Чем выше напряжение на управляющем контакте, тем больше периодичность и ниже частота нестабильности. Это позволяет использовать ИС для таких целей, как частотная модуляция, путем изменения частоты, генерируемой 555 в нестабильном режиме в ответ на изменение напряжения или низкочастотного сигнала, подаваемого на управляющий вывод.

С нестабильным устройством, создающим неравномерное отношение метки к промежутку (т. Е. Импульсы), управляющий штифт также может использоваться для изменения отношения метки к промежутку и, таким образом, для создания широтно-импульсной модуляции (PWM). В качестве альтернативы, если выход 555 в нестабильном режиме представляет собой серию очень узких отрицательных импульсов, то применение модулирующего сигнала к управляющему входу может быть выполнено для изменения большого периода между импульсами, эффективно производя модуляцию положения импульса.

Управляющий вывод также может использоваться с 555 в моностабильном режиме для изменения времени генерируемой задержки.Когда управляющий вывод не используется для управления синхронизацией, он не подключен к какому-либо внешнему напряжению, поэтому для предотвращения попадания любого внешнего шума на контакт 5 он развязан, обычно с использованием конденсатора емкостью около 100 нФ.

Поскольку контакт 5 внутренне подключен к переходу между Ra и Rb, напряжение на контакте 5, когда он не используется, будет составлять 2 / 3Vcc.

6. Порог = Порог

В нестабильном режиме контакт 6 подключен к зарядному конденсатору с постоянной времени RC извне, поэтому по мере заряда конденсатора напряжение на контакте 6 увеличивается.Это заставляет напряжение на неинвертирующем входе Компаратора 1 повышаться до тех пор, пока оно не достигнет порогового уровня 2 / 3Vcc, установленного инвертирующим входом Компаратора 1, подключенным к переходу между Ra и Rb. Как только напряжение на контакте 6 достигает 2 / 3Vcc, выход Компаратора 1 внезапно меняет состояние и инициирует последовательность событий, которая вызывает начало разряда внешнего конденсатора постоянной времени.

Штифт 7. Disch = Разряд

Вывод 7 подключен к коллектору разрядного транзистора, и как только контакт порогового значения сработает в компараторе 1 в конце периода зарядки для внешнего синхронизирующего конденсатора, разрядный транзистор проводит ток, вызывая начало периода разрядки.В течение этого периода на выходе (вывод 3) будет оставаться низкий уровень до тех пор, пока конденсатор не разрядится до 1/3 В постоянного тока, когда в нестабильном режиме разрядный транзистор выключится, и период зарядки начнется снова. Однако в моностабильном режиме конденсатор будет полностью разряжен до 0 В, чтобы дождаться следующего триггерного импульса на выводе 2.

Контакт 8. + Vcc = Положительное напряжение питания

Модель 555 доступна в нескольких вариантах форм, включая типы BJT и CMOS. В зависимости от типа они могут работать от положительных источников питания в диапазоне от 0.От 9 В до 18 В с потребляемым током от менее 50 мкА до 10 мА для самого чипа. Это текущее требование должно быть добавлено к текущим потребностям любого устройства вывода, которое будет обеспечиваться выходом 555, когда он находится в высоком режиме. Этот ток нагрузки может достигать 200 мА в зависимости от нагрузки.

Астабильный осциллятор модели 555

Рис. 4.3.2 The 555 Astable

Как показано на рис. 4.3.2, для базовой нестабильной схемы требуются только два резистора и два конденсатора (не считая внешней нагрузки).

Постоянная времени RC, определяющая ширину и частоту импульса, состоит из C1, R1 и R2. Контакты 6 и 2 соединены вместе, контакт 4 подключен напрямую к источнику питания, поскольку сброс не используется, а управляющий вход на контакте 3 развязан конденсатором емкостью 100 нФ.

Для получения прямоугольного сигнала на выходе с отношением метки к пространству, приближающимся к 1: 1, значение R2 должно быть намного выше, чем R1. Причина этого в том, как работает 555.

Нестабильная работа

Когда питание изначально подается на контакт 8, конденсатор C1 не заряжается, поэтому контакт 2, триггерный вход активен при 0 В, и C1 начинает заряжаться до напряжения питания (Vcc) через R1 и R2.Поскольку C1 также подключен к выводу 6, напряжение на неинвертирующем (+) входе компаратора 1 также увеличивается. В этом состоянии на выходе (вывод 3) будет напряжение Vcc, и он сможет работать как источник тока для любой нагрузки до 200 мА.

Инвертирующий (-) вход компаратора 1 подключен к цепи резисторов Ra, Rb и Rc, которые подключены между Vcc и 0V. Поскольку все три резистора имеют одинаковое значение (5 кОм), напряжение на инвертирующем входе будет 2/3 В постоянного тока.

Пока напряжение на неинвертирующем входе компаратора 1 ниже, чем на его инвертирующем входе, его выход будет низким (примерно 0 В), но как только C1 зарядится до 2/3 В постоянного тока, компаратор изменится. на свой высокий уровень (Vcc).Это устанавливает высокий уровень на входе R (сброс) бистабильного устройства.

Когда на входе R бистабильного сигнала высокий уровень, выход Q сбрасывается в ноль, а поскольку выход (не Q) всегда находится в состоянии, противоположном выходу Q, «not Q» становится высоким. Это приводит к тому, что разрядный транзистор становится сильно проводящим, фактически соединяя разрядный вывод (7) с землей, таким образом разряжая конденсатор C1 через R2. Высокое напряжение на выходе бистабильного устройства также подается на инвертор, который изменяет этот уровень на «низкий» примерно 0 В на выходе.

Выход инвертора теперь позволяет выходу «опускаться» до 200 мА.

Однако, как только C1 начинает разряжаться, выход компаратора 1 вернется к низкому уровню, но это не имеет значения, поскольку бистабильный « запоминает » очень короткий высокий импульс, подаваемый на его вход R компаратором 1 и будет оставаться в состоянии «сброса» до тех пор, пока не получит аналогичный импульс «установки» на свой S-вход.

Обратите внимание, что когда C1 заряжался, он делал это как через R1, так и через R2, но теперь он разряжается только через R2.По этой причине R1 сделан намного меньше R2. Если бы оба резистора были равны по величине, время разряда (при низком выходе) было бы половиной времени заряда (при высоком выводе). Имея соотношение примерно 100: 1 для значений R2: R1, отношение метки к пространству может быть очень близким (но не совсем) к 1: 1.

Падение напряжения на C1 подключено к неинвертирующему (+) входу компаратора 2, поэтому, как только это напряжение упадет ниже напряжения на инвертирующем (-) входе, он будет делать это на уровне 1 / 3Vcc, как инвертирующий вход подается с вершины самого низкого резистора Rc в цепи сопротивления делителя потенциала, выход компаратора 2 перейдет на свой высокий уровень (Vcc).Он подается на вход S бистабильного устройства, заставляя выходы Q и Q менять местами их высокое и низкое состояния, делая выход еще раз низким, выключают разрядный транзистор и через инвертор заставляют выход (контакт 3 ) высокий.

Рис. 4.3.3 Формы сигналов нестабильного выхода и заряда

Рис. 4.3.4 Период начисления C1

Это завершает один полный цикл выходной прямоугольной волны, и теперь C1 начинает заряжаться еще раз до 2/3 В постоянного тока, и циклы повторяются, пока подается питание.

Постоянные времени и 555

Связь между выходной волной и зарядкой и разрядкой C1 проиллюстрирована на рис. 4.3.3. Время заряда зависит от постоянной времени (R1 + R2) C1, а время разряда зависит от постоянной времени R2C1, поэтому время разряда всегда будет короче, чем время заряда. Однако, когда R2 намного больше, чем R1, времена заряда и разряда почти равны, и для целей расчета частоты колебаний R1 можно игнорировать, поэтому период одного цикла — это просто два периода, сложенные вместе.

Однако есть еще одна сложность, время периода заряда или разряда — это не просто постоянная времени CR, потому что конденсатору не позволяют полностью заряжаться или разряжаться, используется только центральная 1/3 полной зарядки или разрядки. , поэтому при вычислении периодического времени сигнала необходимо использовать константу, чтобы изменить формулу нормальной постоянной времени T = CR.

На рис. 4.3.4 показано, как модифицирована формула постоянной времени, чтобы сделать ее пригодной для расчета периодических времен, относящихся конкретно к 555 нестабильному.

В этом примере C1 составляет 50 нФ и заряжается через R1 и R2, которые имеют общее последовательное сопротивление 1 МОм. Следовательно, нормальная постоянная времени (T = CR) составляет 50 мс, а при напряжении питания (Vcc) 10 В C1 будет заряжаться до 3,3 В (1/3 В постоянного тока) за 20 мс и достигнет 6,67 В (2/3 В постоянного тока) через 55 мс (35 мс позже). .

Напряжение на C1 продолжит повышаться до 10 В после 5 постоянных времени, за исключением того, что при 2 / 3Vcc компаратор 1 включится (см. Рис. 4.3.3), и C1 начнет период разряда. Таким образом, C1 выставил счет только за тридцать пять пятидесятых (35/50) или 0.7 постоянной времени.

Расчет частоты 555 Astable

Период начисления с учетом начислений C1 через R1 и R2 может быть рассчитан как:

Период заряда (высокая производительность):

(t _C ) = 0,7x (R1 + R2) xC1

Поскольку R1 не играет роли в периоде разряда, он будет рассчитан как:

Период разряда (низкая мощность):

т _D = 0,7xR2xC1

Периодическое время всей волны (T), следовательно, будет:

T = период зарядки t _C + период разрядки t _D

т.

T = (0.7x (R1 + R2) xC1) + (0,7xR2xC1)

Следовательно,

Т = 0,7 (R1 + 2R2) C1

Поскольку частота (f) = 1 / T, формула для частоты 555 нестабильного сигнала может быть записана как:

А поскольку 1 / 0,7 = 1,4, формула для частоты 555 нестабильного сигнала также может быть записана как:

555 Калькулятор моностабильного и нестабильного дизайна с таймером IC

Калькулятор моностабильного и нестабильного дизайна с таймером 555 IC

Проектирование КИП и электрооборудования

555 Калькулятор моностабильного и нестабильного дизайна с таймером IC.

Интегральная схема таймера 555 — первая и до сих пор одна из самых популярных микросхем таймера. Эта микросхема таймера работает как однократный таймер или как нестабильный мультивибратор. Микросхема 556 представляет собой двухконтурную микросхему на 55 цепей.

Контакты для DIP-пакета соединяются следующим образом:

Контакт 5 также иногда называют контактом КОНТРОЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ. Подавая напряжение на вход CONTROL VOLTAGE, можно изменить временные характеристики устройства. В большинстве приложений вход КОНТРОЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ не используется. Обычно между контактом 5 и 0 В подключают конденсатор емкостью 10 нФ для предотвращения помех. Вход CONTROL VOLTAGE может использоваться для создания нестабильного мультивибратора с частотно-модулированным выходом.

555 Таймер

Род Эллиотт — Авторские права © 2015

Таймер 555 используется нами с 1972 года — это долгий срок для любой ИС, и тот факт, что он до сих пор используется в тысячах конструкций, свидетельствует о его полезности в широком спектре оборудования, как профессионального, так и любительского.Он может работать как генератор, таймер и даже как инвертирующий или неинвертирующий буфер. ИС может обеспечивать выходной ток до 200 мА (источник или приемник) и работает от напряжения питания от 4,5 В до 18 В. Версия CMOS (7555) имеет более низкий выходной ток, а также потребляет меньший ток питания и может работать от 2 В до 15 В.

Существует много разных производителей и много разных префиксов и суффиксов номеров деталей, и они доступны в двойной версии (556). У некоторых производителей есть и четырехъядерные версии.555 и его производные выпускаются в корпусах DIP (двухрядный корпус) и SMD (устройство для поверхностного монтажа). Я не собираюсь даже пытаться охватить все варианты, потому что их слишком много, но следующий материал основан на стандартном 8-контактном корпусе с одним таймером. Все номера контактов относятся к 8-контактной версии, и их необходимо будет изменить, если вы используете двух- или четырехконтактные типы или выбираете одну из версий SMD с другой распиновкой. Обратите внимание, что версия с четырьмя разъемами имеет только минимум контактов, напряжение сброса и управления распределяются между всеми четырьмя таймерами, и у него нет отдельных контактов порога и разряда (они связаны между собой внутри и называются «синхронизацией»).

В 555 используются два компаратора, триггер установки-сброса (который включает «главный» сброс), выходной буфер и транзистор разряда конденсатора. Многие функции запрограммированы заранее, но управляющий вход позволяет изменять пороговые напряжения компаратора, и возможно множество различных схемных реализаций. Блок-схема полезна, а на рисунке 1A показаны основные части внутренней части IC.

Рисунок 1A — Внутренняя схема таймера 555

На рисунке 1B показана полная принципиальная схема таймера 555, основанная на схеме, показанной в таблице данных ST Microelectronics.Схемы от других производителей могут немного отличаться, но принцип работы идентичен. На самом деле нет особого смысла подробно разбирать схему, но нужно отметить одну вещь, это делитель напряжения, который создает опорные напряжения, используемые внутри. Три резистора 5 кОм показаны синим, чтобы вы могли легко их найти, а основные секции показаны пунктирными линиями (и помечены), чтобы можно было идентифицировать каждую секцию.

Рисунок 1B — Схема таймера 555

Если у вас нет большого опыта в электронике и вы не можете следить за подробной схемой, такой как показанная, это, вероятно, не будет иметь большого значения для вас.Это интересно, и если бы вы построили схему с использованием транзисторов и резисторов, она должна работать очень похоже на версию IC. Обратите внимание, что в микросхемах часто есть дополнительные транзисторы, потому что их дешево добавлять (по сути, бесплатно), некоторые паразитные, а производительность транзисторов NPN и PNP никогда не бывает равной. В большинстве случаев производство ИС оптимизировано для NPN, и устройства PNP почти всегда будут иметь сравнительно низкую производительность.

Стандартный комплект одиночного таймера имеет 8 контактов, и они следующие.Сокращения для различных функций, которые используются в этой статье, заключены в скобки.

Контакт 1	Общий / ‘земля’ (Gnd)	Этот вывод соединяет схему таймера 555 с отрицательной шиной питания (0 В). Все напряжения измеряются относительно этого вывода.
Контакт 2	Триггер (Триггер)	При подаче отрицательного импульса (напряжение менее 1/3 Vcc) срабатывает внутренний триггер через компаратор №2.Контакт 3 (выход) переключается с низкого уровня (близко к нулю вольт) до «высокого» (близко к Vcc). Выход остается в высоком состоянии, в то время как клемма триггера остается на низком напряжении, а триггер вход отменяет пороговый вход.
Контакт 3	Выход (Out)	Выходная клемма может быть подключена к нагрузке двумя способами: либо между выходом и землей, либо между выходом и шиной питания (Vcc). Когда выход низкий, ток нагрузки (ток стока) течет от Vcc через нагрузку к выходному зажиму.Для источника тока нагрузка подключается между выходом и общим (0 В). Если нагрузка подключена между выходом и землей, когда выход большой, ток течет от выхода, через нагрузку и оттуда на землю.
Контакт 4	Сброс (Rst)	Вывод сброса используется для сброса триггера, который определяет состояние выхода. Когда на этот вывод подается отрицательный импульс, на выходе становится низкий уровень. Эта булавка активный низкий и отменяет все остальные входы.Когда он не используется, он должен быть подключен к Vcc. Активация сброса включает разрядный транзистор.
Контакт 5	Управляющее напряжение (Ctrl)	Этот вывод используется для управления уровнями триггера и порога. Синхронизацию ИС можно изменить, подав напряжение на этот вывод, либо от активного цепи (например, операционного усилителя) или подключив ее к дворнику потенциометра, подключенного между Vcc и землей. Если этот вывод не используется, его следует подключить к земле. с конденсатором 10 нФ для предотвращения шумовых помех.
Контакт 6	Порог (Thr)	Это неинвертирующий вход для компаратора №1, который контролирует напряжение на внешнем конденсаторе. Когда пороговое напряжение больше 2/3 Vcc, выход компаратора № 1 становится высоким, что сбрасывает триггер и выключает выход (ноль вольт).
Штифт 7	Нагнетание (Dis)	Этот вывод подключен внутри к коллектору разрядного транзистора, и конденсатор синхронизации часто подключается между этим выводом и землей.Когда выходной вывод становится низким, транзистор включается и разряжает конденсатор.
Контакт 8	Vcc	Вывод питания, который подключен к источнику питания. Напряжение может находиться в диапазоне от +4,5 В до + 18 В относительно земли (вывод 1). Большинство CMOS-версий 555 (например, 7555 / TLC555) может работать до 2 или 3 В. Всегда необходимо использовать байпасный конденсатор, не менее 100 нФ, а желательно больше. Я предлагаю 10 мкФ для большинства приложений.

Как упоминалось выше, 555 можно использовать в качестве генератора или таймера, а также для выполнения некоторых менее обычных задач.Основные формы мультивибратора — нестабильный (нет стабильных состояний), моностабильный (одно стабильное состояние) или бистабильный (два стабильных состояния). К сожалению, работа в бистабильном режиме с 555 не очень полезна из-за внутренней организации. Однако это можно сделать, если вы примете некоторые ограничения. Схема 555, которая функционирует как бистабильная, описана в проекте 166, где 555 используется в качестве выключателя для оборудования с питанием.

Время довольно стабильно при колебаниях температуры и напряжения питания.NE555 «коммерческого класса» рассчитан на типичную стабильность 50 ppm (частей на миллион) на градус C в моностабильном режиме и 150 ppm / ° C в нестабильном режиме. Это хуже как осциллятор (нестабильный), чем таймер (моностабильный), потому что осциллятор полагается на два компаратора, а таймер полагается только на один. Дрейф при напряжении питания около 0,3% / В.

Большинство схем, показанных ниже, включают светодиод с ограничивающим резистором. Это совершенно необязательно, но это помогает вам увидеть, что делает IC, когда у вас есть медленный нестабильный или таймер.В схемах также есть байпасный конденсатор емкостью 47 мкФ, который должен быть как можно ближе к ИС. Если колпачок не включен, вы можете получить некоторые странные эффекты, в том числе паразитные колебания выходного каскада при изменении его состояния.

Когда выходной сигнал высокий, он обычно будет на 1,2–1,7 В ниже, чем напряжение питания, в зависимости от тока, потребляемого с выходного контакта. Выходной каскад 555 не может подтянуть уровень до Vcc, потому что он использует схему Дарлингтона NPN, которая всегда будет терять некоторое напряжение, и напряжение будет падать с увеличением тока.Обычно это не ограничение, но вы должны знать об этом. Если это проблема, вы можете добавить подтягивающий резистор между «Out» и «Vcc» (1 кОм или около того), но это будет полезно только для легких нагрузок (менее 1 мА).

Следует прояснить, что 555 — это , а не — точное устройство, и это не было намерением с самого начала. У него много недостатков, но на самом деле они редко вызывают проблемы, если устройство используется по назначению. Иногда бывает необходимо убедиться, что он получает хороший сброс при включении, чтобы он находился в известном состоянии, но для большинства приложений в этом нет необходимости.Если вам действительно нужна точность, используйте что-нибудь другое (что будет значительно сложнее и дороже). Говорят, что Боб Пиз (из National Semiconductor, ныне TI), что ему не нравились 555, и он никогда их не использовал (см. Веб-сайт Electronic Design), но это не причина избегать их. Было бы глупо использовать 555 в критически важном приложении, где точность имеет первостепенное значение, но также можно использовать микроконтроллер с кварцевым генератором для выполнения основных функций синхронизации.

Генератор (или, если быть точным, нестабильный мультивибратор) — очень распространенное приложение, поэтому мы рассмотрим его в первую очередь.Обратите внимание, что все цепи ниже предполагается использовать источник постоянного тока 12 В, если не указано иное.

Термин «нестабильный» буквально означает «нестабильный» — само определение осциллятора. Выход переключается с высокого на низкий и обратно, пока есть питание и вывод сброса поддерживается на высоком уровне. Это обычное использование для цепей 555, и схема показана на рисунке 2. Частота повторения импульсов определяется значениями R1, R2 и C1.

Рисунок 2 — Стандартный нестабильный осциллятор

Формы сигналов на выходе и напряжение на C1 показаны ниже. Выходной сигнал становится высоким, когда напряжение конденсатора падает до 4 В (1/3 В постоянного тока от 12 В), и снова становится низким, когда напряжение конденсатора достигает 8 В (2/3 В постоянного тока). Осциллятор не имеет стабильного состояния — когда выходной сигнал высокий, он ожидает зарядки конденсатора, чтобы он мог снова стать низким, а когда он низкий, он ждет, пока конденсатор разряжается, , чтобы он мог перейти в высокий уровень. Это продолжается до тех пор, пока вывод сброса удерживается в высоком состоянии.При нажатии на вывод сброса низкий уровень (менее 0,7 В) останавливает колебание.

Рисунок 2A — Формы сигналов стандартного нестабильного осциллятора

C1 заряжается через R1 и R2 последовательно и разряжается через R1. По умолчанию это означает, что выходной сигнал представляет собой импульсную форму волны, а не истинную прямоугольную волну. Выходной сигнал будет положительным, с отрицательными импульсами. Если R2 сделать большим по сравнению с R1, вы можете приблизиться к выходу прямоугольной волны. Например, если R1 составляет 1 кОм, а R2 — 10 кОм, выходной сигнал будет близок к соотношению метка-пространство 1: 1 (на самом деле это 1.1: 1). Чтобы определить частоту, используйте следующую формулу …

f = 1,44 / ((R1 + (2 × R2)) × C1)

Для значений, показанных на рисунке 2, частота вычисляется как 686 Гц, а симулятор требует 671 Гц. Это может показаться большим несоответствием, но оно находится в пределах допусков стандартных компонентов и самой ИС. Также могут быть определены высокие и низкие времена …

t _{высокий} = 0,69 × (R1 + R2) × C1
t _низкий = 0,69 × R2 × C1

При значениях, приведенных на рисунке 2, t _high составляет 759 мкс, а t _low составляет 690 мкс.Симулятор (и реальная жизнь) будет немного отличаться. Отношение рабочего цикла / метки составляет 1,1: 1 и рассчитывается как отношение t _high / t _low . Высокое время в 1,1 раза больше низкого времени, что вполне логично, исходя из номиналов резистора. По мере того, как R1 становится меньше, отношение метки к пространству приближается к 1: 1, но вы должны убедиться, что оно не настолько низкое, чтобы разрядный транзистор не мог справиться с током. Максимальный ток разрядного вывода не должен превышать 10 мА, а желательно меньше.

Вы можете задаться вопросом, откуда взялись значения 1,44 и 0,69. Это константы (или, если хотите, «ложные факторы»), которые были определены математически и эмпирически для таймера 555. Они не идеальны, но достаточно близки для большинства расчетов. Если вам нужна схема 555 для генерации колебаний с точной частотой, вам необходимо включить подстроечный резистор, чтобы можно было настроить схему. Он по-прежнему не будет точным, и он будет дрейфовать — помните, что это , а не — точное устройство, и его нельзя использовать там, где точность критична.

Рисунок 3 — Астабильный осциллятор с увеличенным рабочим циклом

Добавление диода изменяет и упрощает работу. C1 теперь заряжается только через R1 и разряжается только через R2. Это устраняет взаимозависимость двух резисторов и позволяет схеме производить любой рабочий цикл, который вы хотите, — конечно, при условии, что он находится в пределах рабочих параметров 555. Импульсы теперь могут быть узкими положительными или отрицательными, и возможно точное соотношение между меткой и пространством 1: 1. Частота определяется…

f = 1,44 / ((R1 + R2)) × C1)

Если R1 больше R2, выход будет положительным с отрицательными импульсами. И наоборот, если R1 меньше R2, на выходе будет нулевое напряжение с положительными импульсами. Таким образом, длина импульса (положительного или отрицательного) определяется двумя резисторами, и каждый из них не зависит от другого. — это , небольшая ошибка, вызванная падением напряжения на диоде, но в большинстве случаев это не вызовет проблемы. (Идеальное) время максимума и минимума рассчитывается с помощью…

t _{высокий} = 0,69 × R1 × C1
t _низкий = 0,69 × R2 × C1

Наконец, существует схема, которую обычно называют нестабильной с минимальным количеством компонентов. Помимо основных поддерживающих частей, которые всегда необходимы (байпасный конденсатор и конденсатор от «Control» до земли), для этого требуется только один резистор и один конденсатор.

Рисунок 4 — Нестабильный осциллятор с минимальным количеством компонентов

Соотношение между меткой и пространством в этой цепи номинально составляет 1: 1 (прямоугольная волна), но на это может повлиять нагрузка.Если нагрузка подключается между выходом и землей, время высокого уровня будет немного больше, чем время низкого уровня, потому что нагрузка будет препятствовать достижению выходом напряжения питания. Если нагрузка подключается между выводом питания и выходом, время низкого уровня будет больше, потому что выход не достигнет нуля вольт. Частота рассчитывается от …

f = 0,72 / (R1 × C1)

При показанных значениях это будет 720 Гц. Вы можете видеть, что разрядный штифт (вывод 7) не используется.Конденсатор заряжается и разряжается через R1, поэтому при высоком выходе конденсатор заряжается, а при низком — разряжается. Разрядный вывод можно использовать как вспомогательный выход с открытым коллектором, но не подключайте его к напряжению питания выше Vcc и не пытайтесь использовать его для сильноточных нагрузок (максимум около 10 мА).

Все показанные схемы используют внутренний делитель напряжения (резисторы 3 × 5 кОм) для установки пороговых значений компаратора. Когда напряжение достигает порогового значения (2/3 Vcc), триггер сбрасывается, и на выходе устанавливается низкий уровень (близкий к нулю вольт).Когда напряжение триггера (вывод 2) падает ниже 1/3 Vcc, цепь срабатывает, и на выходе высокий уровень (близкий к Vcc).

Если сброс (вывод 4) в любой момент сбрасывается на низкий уровень, на выходе устанавливается низкий уровень и остается там до тех пор, пока на контакте сброса снова не появится высокий уровень. Пороговое напряжение входа сброса обычно составляет 0,7 В, поэтому этот вывод должен быть подключен непосредственно к земле с помощью транзистора или переключателя. Внешний резистор необходим между Vcc и сбросом, если вам нужно использовать функцию сброса, поскольку в ИС нет подтягивающего резистора.В общем можно использовать до 10к.

Моностабильная схема (также известная как «однократная» схема) имеет одно стабильное состояние. При срабатывании триггера он переходит в «нестабильное» состояние, и время, которое он там проводит, зависит от компонентов синхронизации. Моностабильный используется для создания импульса с заданным временем при его срабатывании. Чаще всего моностабильное устройство используется в качестве таймера. При срабатывании триггера выходной сигнал станет высоким в течение заданного времени, а затем вернется к нулю.Хотя мы склонны считать таймеры длительными (от нескольких секунд до нескольких минут), моностаблицы также используются с очень короткими временами — например, 1 мс или меньше. Это обычное приложение, когда схеме требуются импульсы с определенной и предсказуемой шириной и с коротким временем нарастания и спада.

Рисунок 5 — Моностабильный мультивибратор

Триггерный сигнал должен быть на короче, чем время, установленное R1 и C1. Схема запускается кратковременным низким напряжением (менее 1/3 В постоянного тока), и на выходе сразу же становится высокий уровень и остается там до тех пор, пока C1 не зарядится через R1.Задержка рассчитывается по …

т = 1,1 × R1 × C1

При указанных значениях выходной сигнал будет высоким в течение 1,1 мс. Если бы C1 был 100 мкФ, время было бы 1,1 секунды. Как уже отмечалось, запускающий импульс должен быть короче времени задержки. Если в схеме, показанной на рисунке 5, триггер будет иметь длительность 5 мс, выход будет оставаться высоким в течение 5 мс, и таймер не будет работать. Помимо таймеров, моностабильные устройства обычно используются для получения импульса заданной ширины из входного сигнала, который является переменным или зашумленным.

Рисунок 5A — Формы сигналов моностабильного мультивибратора

Полезно видеть формы сигналов для моностабильной схемы. Особенно полезно увидеть взаимосвязь между сигналом на выводе триггера и напряжением конденсатора по отношению к выходу. Они показаны выше и могут быть проверены на осциллографе. Вам понадобится двойной осциллограф, чтобы можно было одновременно видеть две трассы. Как видите, отсчет времени начинается, когда напряжение триггера падает до 4 В (использовалось питание 12 В, а 4 В — & frac13; Vcc).Когда конденсатор заряжается до 8 В (& frac23; Vcc), отсчет времени останавливается, и выходная мощность падает до нуля. Обратите внимание, что в этой конфигурации крышка заряжается от нуля вольт, потому что C1 полностью разряжается, когда цикл синхронизации заканчивается.

Чаще всего моностабильная схема 555 используется в качестве таймера. Триггером может быть кнопка, и при нажатии на выход устанавливается высокий уровень в течение заданного времени, а затем снова падает низкий уровень. Существует бесчисленное множество приложений для простых таймеров, и я не буду утомлять читателя длинным списком примеров.

Компоненты синхронизации очень важны, так как они не должны быть настолько большими или такими маленькими, чтобы вызвать проблемы со схемой. Электролитические конденсаторы вызывают особые хлопоты, потому что их значение может меняться со временем, температурой и приложенным напряжением. По возможности используйте для C1 полиэфирные колпачки, но не в том случае, если это означает, что сопротивление резистора (R1) должно быть больше нескольких МОм. Пороговый вывод может иметь утечку только 0,1 мкА или около того, но если R1 слишком велик, даже этот крошечный ток становится проблемой.Конденсатор всегда является ограничивающим фактором для длительных задержек, потому что вам почти наверняка придется использовать электролит. Если это так, по возможности используйте тот, который классифицируется как «с малой утечкой». Часто предлагаются танталовые крышки, но я никогда не рекомендую их, потому что они могут быть ненадежными.

Иногда нельзя быть уверенным, что входной импульс будет короче временного интервала, установленного R1 и C1. В этом случае вам понадобится простой дифференциатор, который заставит входной импульс быть достаточно коротким для обеспечения надежной работы.Дифференциаторы требуют, чтобы время нарастания и / или спада было намного быстрее, чем постоянная времени самого дифференциатора. Например, конденсатор на 10 нФ с резистором 1 кОм имеет постоянную времени 10 мкс, поэтому время нарастания / спада входного импульса в идеале не должно превышать 2 мкс, иначе он может работать неправильно. Соотношение 5: 1 является ориентировочным, поэтому вам нужно проверить, что доступно из других схем. В идеале используйте соотношение 10: 1 или более, если это возможно (т.е. постоянная времени дифференциатора в 10 раз превышает время нарастания входного сигнала).

Рисунок 6 — Моностабильный мультивибратор с дифференциатором

R3, C3 и D1 образуют цепь дифференциатора. Когда импульс получен, колпачок может пройти только по заднему фронту, который должен быть как можно быстрее. Это передается на 555, и больше не имеет значения, как долго входной импульс запуска остается отрицательным, потому что короткая постоянная времени C3 и R2 (100 мкс) позволяет пройти только заднему фронту. D1 необходим, чтобы гарантировать, что контакт 2 не может быть более положительным, чем Vcc плюс одно падение диода (0.65 В), когда триггерный импульс возвращается к положительному источнику питания.

Если время спада входного триггерного импульса слишком велико, дифференциатор может не пропускать достаточно напряжения для срабатывания 555. В этом случае сигнал должен быть «предварительно подготовлен» внешней схемой, чтобы гарантировать падение напряжения. от Vcc до земли менее чем за 20 мкс (для указанных значений). Если этого не сделать, цепь может работать нестабильно или вообще не работать. Если импульс запуска положительный, вам придется инвертировать его, чтобы он стал отрицательным.555 запускается по спадающему фронту сигнала запуска, что приводит к переходу на высокий уровень (Vcc) на выходе.

Подсказка: Если вам понадобится таймер, который работает в течение длительного времени (от часов до недель), используйте схему переменного генератора 555, которая затем управляет счетчиком CMOS, таким как 4020 или аналогичный. Выходной сигнал генератора 555 может быть (скажем) осциллограммой 1 минута / цикл, которая может выступать в качестве тактового сигнала для счетчика. 4020 — это 14-битный двоичный счетчик, поэтому с помощью простой схемы вы можете легко получить задержку (используя 1-минутные часы) в 8192 минуты — более 136 часов или чуть более 5½ дней.Все еще недостаточно? Используйте два или более счетчиков 4020. Два позволят таймеру работать около 127 лет! Обратите внимание, что вам придется предоставить дополнительные схемы для выполнения любой из этих работ, и может быть трудно быть уверенным, что таймер на 127 лет работает должным образом.

Вот пример (но он не моностабильный), и в зависимости от выхода, выбранного из счетчика 4020, вы можете получить задержку до 20 минут. Если увеличить C1, задержка может быть намного больше. При значениях резисторов, указанных для схемы синхронизации, увеличение C1 до 100 мкФ увеличит максимальное время до 3.38 часов (3 часа 23 секунды), используя Q14 из U2 в качестве выхода. Если C1 представляет собой электрораспределитель с низкой утечкой, значения R1 и R2 можно увеличить, чтобы он проработал еще дольше. На рисунке также показано, сколько входных импульсов требуется, прежде чем соответствующие выходы станут высокими (Vcc / Vdd). Счетчик продвигается по отрицательному импульсу. Чтобы использовать временные резисторы большего номинала, рассмотрите возможность использования таймера CMOS (например, 7555).

Рисунок 7 — Таймер длительного действия

Как показано, минимальный период для 555 составляет 20.83 мс (48 Гц) с VR1 при минимальном сопротивлении и 145,7 мс (6,86 Гц) при максимальном сопротивлении. При подаче питания таймер будет работать в течение заданного периода времени, пока выходная мощность не станет высокой. Нажатие кнопки «Пуск» установит низкий уровень мощности и отсчет времени начнется снова. Все выходы счетчика устанавливаются на низкий уровень при включении колпачком сброса (C3) и / или при нажатии кнопки «Пуск». 555 работает как нестабильный и продолжает пульсировать до тех пор, пока выбранный выход из U2 не станет высоким. Затем D1 устанавливает напряжение на C1 до 0.7V ниже Vcc и прекращает колебания. Следовательно, при нажатии кнопки «Пуск» на выходе устанавливается низкий уровень , и возвращается высокий уровень по истечении периода тайм-аута.

Дополнительная схема необходима, если вы не хотите, чтобы таймер срабатывал после включения питания, или если вы хотите, чтобы кнопка «Пуск» делала выходной сигнал высоким, падая до нуля по истечении тайм-аута. Я оставляю это в качестве упражнения для читателя. Вышеупомянутое — это просто пример — он не предназначен для схемы для какого-либо конкретного приложения.

Таймеры 555 можно использовать во многих случаях, помимо основных строительных блоков, показанных выше. Это статья, а не полная книга, поэтому будут рассмотрены лишь некоторые возможности. Они были отобраны на основе вещей, которые я считаю интересными или полезными, и если у вас есть фаворит, которого нет в списке, я боюсь, что это просто сложно.

Не ожидайте найти среди всего этого сирены, генераторы шума общего назначения или псевдослучайные «игры».Если вы хотите построить какую-либо из 555 популярных игрушек, в сети есть много чего.

Это простой диммер с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) или регулятор скорости двигателя. Он основан на показанном ранее нестабильном «минимальном компоненте», но использует потенциометр и пару диодов для изменения соотношения между метками и пространством. Когда потенциометр находится в положении «Макс», выходной сигнал преимущественно высокий, с узкими импульсами до нуля. При установке «Мин» выход в основном равен нулю с узкими положительными импульсами.

Рисунок 8 — ШИМ-диммер / регулятор скорости двигателя

Принцип его работы ничем не отличается от основного нестабильного, за исключением того, что величина сопротивления для заряда и разряда конденсатора изменяется с помощью потенциометра. Диоды (1N4148 или аналогичные) «управляют» выходным током, так что потенциометр может иметь различное сопротивление в зависимости от полярности сигнала. Например, когда горшок находится на «Максе», заряд C1 занимает гораздо больше времени, чем его разряд, поэтому выход должен проводить большую часть своего времени на Vcc.Обратное верно, когда банк установлен на «Мин». Максимальный и минимальный рабочий цикл можно изменить, изменив R1. С 1k, как показано, максимум составляет 11: 1 (или 1:11), но уменьшение или увеличение R1 может изменить это соотношение на любое желаемое (в пределах разумного). Я предлагаю 100 Ом — это практический минимум.

Чтобы быть полезным, выход 555 обычно будет управлять MOSFET, как показано, или, возможно, даже IGBT , в зависимости от тока нагрузки. Если он используется в качестве регулятора скорости двигателя, вы должны включить диод параллельно с двигателем, иначе он не будет работать должным образом.Диод должен быть «быстрым» или «сверхбыстрым» и рассчитан на тот же ток, что и двигатель. Диод не нужен, если схема используется в качестве диммера, но в любом случае рекомендуется использовать UF4004 или аналогичный быстрый диод. Электропитание двигателя может быть любым (только постоянный ток), но 555 должен иметь источник питания 12-15 В, при необходимости отдельно от основного. См. Проект 126 для ознакомления с версией проекта регулятора яркости / скорости. Он не использует 555, но использует те же принципы ШИМ.

A 555 может работать как усилитель с ШИМ (класс D). Это не очень хорошо, и выходная мощность очень ограничена, но вы можете получить до 100 мВт или около того при нагрузке 8 Ом. Это чисто образовательное упражнение больше, чем что-либо еще, потому что точность воспроизведения невысока из-за ограниченной производительности 555. Максимальная частота составляет 500 кГц или около того, но IC почти наверняка будет перегреваться при работе с максимальной частотой и выходным током.Я не буду утруждать себя демонстрацией практической схемы усилителя класса D с усилителем 555, потому что производительность очень плохая. Достаточно сказать, что если вы вводите синусоидальный или музыкальный сигнал на вывод «Ctrl», вы можете модулировать ширину импульса. Тот же трюк используется для многих сирен на базе 555, которые вы можете найти в других местах.

Управляющий вход часто упускается из виду, но его можно использовать в любое время, когда вам нужно создать генератор, управляемый напряжением. Помимо игрушечных сирен и других «несерьезных» приложений, эта способность может быть полезна для многих схем.То, что 555 — мусорный усилитель класса D, не означает, что следует игнорировать общие принципы. Одно приложение, довольно популярное в сети, использует 555 в качестве контроллера для простого регулируемого источника высокого напряжения. Рисунок ниже представляет собой измененную версию одного, который распространен по всей сети (настолько, что невозможно указать авторство, потому что я понятия не имею, кто опубликовал его первым).

Рисунок 9 — Преобразователь постоянного тока в постоянный

Показанная схема в основном концептуальна.Он будет работать, но не оптимизирован. Обратная связь, подаваемая на управляющий вход, зависит от напряжений стабилитрона, а напряжение эмиттер-база транзистора имеет небольшое влияние. Существуют микросхемы, специально разработанные для измерения напряжения, которые используют делитель напряжения для установки выходного напряжения, и это позволяет легко изменить напряжение до точного значения, если это необходимо. Струна стабилитрона высокого напряжения обеспечит удивительно хорошую стабильность напряжения. Схема показана здесь просто для демонстрации использования управляющего входа для изменения работы 555.

Он сможет выдавать до 50 мА без особой нагрузки, но, как и в случае любого повышающего импульсного преобразователя, пиковый входной ток может быть довольно высоким. При показанных значениях и выходе 20 мА пиковый ток будет около 2 А. Естественно, если выходной ток меньше 20 мА, входной ток уменьшается пропорционально. Пусковой ток будет намного выше рабочего тока. L1 (100 мкГн) должен иметь сопротивление не более 1/2 Ом. Выход 100 В при 20 мА составляет 2 Вт, поэтому разумно ожидать, что средняя входная мощность будет несколько выше.Общие потери почти наверняка будут близки к 1 Вт, поэтому средний входной ток будет около 250 мА при 12 В.

Существуют специализированные контроллеры SMPS, которые могут быть не дороже таймера 555, но это по-прежнему полезное приложение и означает, что вам не нужно искать непонятную часть. Его величайшим преимуществом является то, что он часто может быть построен с использованием деталей, которые у вас уже есть в вашем мусорном ящике, с дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что он не полагается на детали SMD и может быть построен на Veroboard.

Это полезная схема, и ее можно использовать для управления простыми преобразователями (маленькие динамики, лампы и т. Д.). Максимальный ток, который 555 может передавать или потреблять, составляет около 200 мА, поэтому нагрузки, потребляющие больше, чем это, вызовут перегрев ИС и выход из строя. Поскольку опорные компоненты вообще не нужны, это может быть очень экономично для места на печатной плате. Утверждается, что использование дискретной схемы с парой транзисторов дешевле, но это сомнительно, учитывая стоимость 555-го.Микросхема также занимает очень мало места на печатной плате, что часто намного дороже, чем несколько дешевых деталей, особенно если место в ней очень дорого.

Рисунок 10 — Инвертирующий буфер

Входной сигнал подвержен гистерезису. Это означает, что входное напряжение должно превысить 2/3 В постоянного тока, прежде чем выход переключится на низкий уровень, а затем входное напряжение должно упасть ниже 1/3 В постоянного тока, прежде чем выход переключится на высокий уровень. Это обеспечивает очень хорошую помехозащищенность и очень высокое входное сопротивление.Схема представляет собой инвертирующий триггер Шмитта.

Это довольно необычное приложение. При использовании вывода сброса в качестве входа любое напряжение выше ~ 0,7 В определяется как высокое, а выход переключается на высокий уровень. Входное напряжение должно упасть ниже 0,7 В, чтобы выход снова переключился на низкий уровень. Здесь нет гистерезиса, и схема управления должна иметь возможность потреблять ток сброса 555 около 1 мА.

Рисунок 11 — Неинвертирующий буфер

Вы должны быть осторожны, чтобы убедиться, что входной сигнал на выводе 4 никогда не может превышать Vcc или становиться отрицательным, иначе ИС будет повреждена.Если возможны отклонения от допустимого диапазона, то входное напряжение должно быть ограничено диодом, стабилитроном или обоими способами, чтобы удерживать напряжение в установленных пределах.

Таймеры 555 часто используются в качестве детектора пропущенных импульсов. Если вы ожидаете непрерывной последовательности импульсов от цепи, если один из них «пропал» по какой-либо причине, которая может указывать на проблему. Возможность обнаружить отсутствие или задержку импульса может быть важной функцией безопасности, вызывая тревогу или отключая цепь до тех пор, пока неисправность не будет устранена.

Рисунок 12 — Детектор пропущенного импульса

Входные импульсы используются для включения Q1 и, следовательно, разряда C1. Пока импульсы продолжают поступать упорядоченно, выходной сигнал 555 остается высоким. Постоянная времени R1 и C1 должна быть выбрана так, чтобы таймер никогда не мог истечь, пока входные импульсы продолжают поступать должным образом. Если время слишком мало, C1 будет заряжаться до 2/3 В постоянного тока до поступления следующего входа. Если он слишком длинный, ни один пропущенный импульс не будет обнаружен, и потребуется пропустить несколько импульсов подряд (или последовательность импульсов может полностью остановиться), прежде чем сработает таймер.Вам также может потребоваться принять меры для обеспечения того, чтобы таймер всегда работал , даже если входящая последовательность импульсов застревает на высоком уровне напряжения. Это потребует добавления дифференциатора, подобного показанному на рисунке 6.

Одно из применений детектора пропуска импульсов — обнаружение того, что вентилятор не работает должным образом. Некоторые вентиляторы имеют выходной сигнал, который пульсирует, когда вентилятор работает, или эту функцию можно добавить с помощью двух небольших магнитов и детектора эффекта Холла (необходимы два магнита, чтобы не нарушить баланс вентилятора).Детектор отсутствия импульсов может вызвать предупреждение, если вентилятор выходит из строя или работает слишком медленно.

Цепь также может использоваться как цепь «потери переменного тока», и она будет обнаруживать один пропущенный цикл или полупериод, в зависимости от используемого механизма обнаружения. Это позволяет быстро определять, что переменный ток был отключен, либо путем выключения, либо из-за сбоя в электросети, и может использоваться для управления реле подавления (например). В большинстве случаев нет необходимости быть настолько быстрым, но могут быть критические производственные процессы, в которых быстрое обнаружение всего лишь одного пропущенного полупериода может иметь решающее значение для предотвращения неисправности.Эта схема также будет хорошо работать для обеспечения очень быстрого переключения на ИБП (источник бесперебойного питания) в случаях, когда потеря переменного тока может вызвать серьезные проблемы.

Хотя 555 может управлять реле напрямую, он должен быть защищен от индуктивности катушки реле. Обратная ЭДС должна (теоретически) поглощаться, потому что на выходе есть транзисторы на стороне высокого и низкого уровня, но вместо этого это может привести к «блокировке» таймера и прекращению его работы до тех пор, пока не будет отключено питание.Это может произойти, когда один диод используется параллельно катушке реле. Используйте параллельный диод, но также управляйте катушкой реле через другой диод, который предотвращает любую неисправность. Выход никогда не должен подвергаться отрицательному напряжению на выходе — даже 0,6 В может вызвать проблемы.

Рисунок 13 — Драйвер реле

D2 выполняет обычную задачу по короткому замыканию обратной ЭДС реле, а D1 полностью изолирует цепь реле от 555. Использование этого устройства предотвратит любую возможность неисправности из-за обратной ЭДС катушки реле, и такое же устройство следует использовать, когда управление любой индуктивной нагрузкой.

Таймер 555 может создать удобную схему отключения звука. Существует бесчисленное множество различных способов приглушения звука — см. Схемы приглушения звука для различных методов. Из всех них эстафета по-прежнему остается одной из лучших. Поскольку контактное сопротивление очень низкое, даже цепи с низким импедансом можно эффективно замкнуть на землю без слышимого прорыва. Все схемы ESP включают в себя резистор 100 Ом на выходе для предотвращения колебаний, и ни один общий операционный усилитель не может быть поврежден коротким замыканием на его выходе — с помощью резистора операционный усилитель в любом случае защищен от прямого короткого замыкания.

Рисунок 14 — Цепь отключения реле

Показанная схема может питаться от основного источника питания предусилителя или даже от мостового выпрямителя через источник питания нагревателя 6,3 В переменного тока с клапанным (ламповым) оборудованием. Если вы это сделаете, байпас C должен быть около 220 мкФ, и никакой другой колпачок фильтра не требуется. Вам нужно будет добавить резистор последовательно с катушкой, чтобы ограничить напряжение до 5 В. Светодиод будет гореть в течение периода отключения звука. Как обсуждалось выше, для релейного привода требуются два диода.Наиболее подходящие реле потребляют ток от 30 до 50 мА, что вполне соответствует возможностям реле 555.

Модель 555 получает сигнал триггера благодаря ограничению на входе триггера (C2), а R2 является подтягивающим резистором. C2 удерживает низкий уровень на входе триггера ровно достаточно долго, чтобы запустить процесс отсчета времени, поэтому на выходе высокий уровень, реле обесточивается, а C1 начинает зарядку через R1. Когда напряжение на пороговом входе достигает 2/3 напряжения питания, выход становится низким, срабатывает реле и устраняет короткое замыкание на линиях аудиосигнала.

Реле остается под напряжением до тех пор, пока оборудование остается под напряжением. В идеале, питание таймера должно быть отключено как можно быстрее при отключении питания, чтобы не было «глупых» шумов, возникающих при выходе из строя источников питания. Некоторые операционные усилители могут издавать стук, писк или «свист», когда их напряжение питания падает ниже минимума, необходимого для нормальной работы.

Таймер 555 очень универсален, но на самом деле он не подходит для очень длительных задержек, если вы не готовы платить серьезные деньги за большой временный конденсатор с малой утечкой.Если вам нужны большие задержки, проще использовать осциллятор 555, за которым следует двоичный счетчик. В большинстве приложений задержка может составлять всего несколько минут (рекомендованный максимум — 20–30 минут), и этого легко добиться. Количество возможных схем, использующих 555 таймеров, просто поразительно, и существует бесчисленное множество схем, примечаний к применению (от производителей ИС, любителей и других) и веб-страниц, посвященных этой ИС и ее производным.

555 используются во многих коммерческих продуктах, где требуется простая временная задержка.Я видел, как они используются в диммерах задней кромки и универсальных ламповых диммерах, и использовал их в нескольких продуктах, которые я разрабатывал за эти годы. Популярность 555 не уменьшилась, несмотря на его возраст, и можно с уверенностью сказать, что количество приложений неуклонно растет, даже с использованием цифровых технологий, которые якобы делают аналог «устаревшим».

Нет ничего необычного в том, что таймер 555 используется в импульсном источнике питания (SMPS), а простые источники питания с низким энергопотреблением могут быть изготовлены с использованием микросхемы 555 IC, трансформатора и многого другого.Как и в случае любой ИС, существуют ограничения, и важно убедиться, что ИС должным образом обойдена, потому что они могут потреблять до 200 мА, когда выход совершает переход между высоким и низким или наоборот.

модели 555 (например, 7555) обладают некоторыми полезными преимуществами по сравнению с биполярным типом. В частности, они имеют гораздо более низкий ток питания и исключительно высокое входное сопротивление для компараторов. Чтобы получить максимальную отдачу от этих таймеров, используйте синхронизирующие резисторы высокого номинала и конденсаторы низкого номинала.Использование резисторов на 1 МОм и более нормально для длительных задержек. Будьте осторожны с синхронизирующими конденсаторами менее 1 нФ, потому что межконтурная емкость печатной платы может вызвать значительные временные ошибки. Типы CMOS не могут быть источником или потребителем высокого выходного тока, а выходной ток может быть асимметричным. Например, TLC555 может потреблять 100 мА, но может потреблять только 10 мА, поэтому это необходимо учитывать при разработке.

7555 обеспечивает большую гибкость (в некоторых отношениях), чем биполярные типы, но не всегда подходят.Они потребляют очень небольшой ток покоя, имеют чрезвычайно высокий входной импеданс и могут работать при напряжении питания всего 2 В. Однако, как отмечалось выше, они не могут обеспечить такой же выходной ток, как версии с биполярным транзистором.

Необходимо соблюдать некоторые меры предосторожности. Входное напряжение никогда не должно превышать Vcc или падать ниже нуля (земля), иначе ИС может быть повреждена. Отсутствие адекватного обхода вблизи ИС может вызвать паразитные колебания в выходном каскаде (биполярного типа), которые могут быть интерпретированы логическими схемами как двойной (или множественный) импульс.

Выходной каскад обычно называют конструкцией «тотемного полюса», и оба транзистора могут быть включены одновременно (хотя и очень кратковременно) при изменении состояния с высокого на низкий или с низкого на высокий. Тип схемы отличается от выходного каскада затворов TTL, но эффект аналогичен. Использование байпасного конденсатора необходимо, чтобы он мог обеспечить кратковременный высокий ток, необходимый для переключения выхода.

При использовании в качестве генератора или когда вывод сброса используется для остановки и запуска колебаний, первый цикл занимает больше времени, чем остальные, потому что конденсатор должен заряжаться от нуля вольт.Обычно напряжение на конденсаторе варьируется от 1/3 В до 2/3 В постоянного тока. Когда шапка должна заряжаться с нуля, это занимает немного больше времени. Это редко является проблемой, но вы должны знать об этом для некоторых критических процессов.

Существует бесчисленное количество веб-сайтов, которые исследуют таймер 555, и если вам нужна дополнительная информация или вы хотите использовать калькулятор (онлайн или загруженный), чтобы вычислить значения для вас, просто выполните поиск в Интернете. Основные ссылки, которые я использовал, показаны ниже.

1. Поваренная книга таймера IC — Уолтер Юнг (Ховард Сэмс, 1977)
2. NE555 Универсальные одинарные биполярные таймеры (таблица данных ST Microelectronics)
3. TLC555 Таймер LinCMOS® (техническое описание Texas Instruments)
4. Рекомендации по применению NE555 (AN170, Philips Semiconductors, декабрь 1988 г.)
5. Signetics Analog Руководство по применению — 1979, Signetics Corporation (загрузка 31,8 МБ)

Поиск по запросу «555 прикладных схем таймера» вернет более 480 000 результатов, так что есть из чего выбрать.Как всегда, не вся информация полезна или надежна, поэтому вы должны быть осторожны, прежде чем выбирать конкретную схему, поскольку многие из них не будут хорошо продуманы. Некоторая информация действительно очень хороша, но вам придется использовать свои собственные знания, чтобы отделить хорошее от остального.

Страница создана и авторские права © Май 2015 г., все права защищены.

Справка по расчету рабочего цикла таймера LTspice 555

  Версия 4
ЛИСТ 1 1584 680
ПРОВОД -16-384-320-384
ПРОВОД 48-384-16-384
ПРОВОД 208-384 48-384
ПРОВОД -320-352-320-384
ПРОВОД 48-352 48-384
ПРОВОД 208-352 208-384
ПРОВОД 48-272 48-288
ПРОВОД 208-240 208-272
ПРОВОД -320-208-320-272
ПРОВОД -224-208-320-208
ПРОВОД -160-208-224-208
ПРОВОД -320-144-320-208
ПРОВОД -160-144 -160-208
ПРОВОД -320-16-320-80
ПРОВОД -160-16-160-80
ПРОВОД 128 96 80 96
ПРОВОД 512 96 352 96
ПРОВОД 80112 80 96
ПРОВОД -320160-320 64
ПРОВОД -224 160-320 160
ПРОВОД -160 160 -160 64
ПРОВОД -160 160-224 160
ПРОВОД 128 160-160 160
ПРОВОД 528 160 352 160
ПРОВОД 576 160 528 160
ПРОВОД -320208-320160
ПРОВОД 128 224 -112 224
ПРОВОД 544 224 352 224
ПРОВОД 576 224 544 224
ПРОВОД -112256-112 224
ПРОВОД 128 288 64 288
ПРОВОД 448 288 352 288
ПРОВОД -320 304-320 272
ПРОВОД 448 304 448 288
ПРОВОД -112 368 -112 336
ПРОВОД 448 400 448 368
ПРОВОД -112 480 -112 432
ФЛАГ 80 112 0
ФЛАГ 208-240 0
ФЛАГ 544 224 ТРИГ
ФЛАГ -320 304 0
ФЛАГ -16-384 VCC
ФЛАГ -224 160 ТРИГ
ФЛАГ 64 288 VCC
ФЛАГ 448 400 0
ФЛАГ 528 160 Выгрузка
ФЛАГ 48-272 0
ФЛАГ -112 480 0
ФЛАГ 512 96 VCC
ФЛАГ -224-208 Разряд
СИМВОЛ Разное \ NE555 240192 R0
SYMATTR InstName U1
СИМВОЛ напряжение 208-368 R0
ОКНО 0 42 37 Слева 2
ОКНО 3 45 65 Левое 2
ОКНО 123 0 0 Влево 0
ОКНО 39 0 0 Влево 0
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Значение 5
СИМВОЛ res -336-368 R0
ОКНО 0 37 54 Левое 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Значение 1K
SYMATTR SpiceLine tol = 0.1
СИМВОЛ диод -336-144 R0
ОКНО 0 36 34 Слева 2
ОКНО 3 31 61 Левое 2
SYMATTR InstName D2
SYMATTR Значение 1N4148
СИМВОЛ polcap -336208 R0
ОКНО 0 40 22 Слева 2
ОКНО 3 39 44 Левое 2
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Значение 22µ
SYMATTR Описание Конденсатор
SYMATTR Тип крышки
SYMATTR SpiceLine V = 2 Irms = 3 Rser = 0,015 Lser = 0
СИМВОЛ res -336-32 R0
ОКНО 0 36 55 Слева 2
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Значение 330K
SYMATTR SpiceLine tol = 0,1
СИМВОЛ res -176-32 R0
ОКНО 0 36 54 Левое 2
SYMATTR InstName R4
SYMATTR Значение 660 тыс.
SYMATTR SpiceLine tol = 0.1
СИМВОЛ диод -144-80 R180
ОКНО 0-45 37 Левое 2
ОКНО 3-96 15 Левое 2
SYMATTR InstName D3
SYMATTR Значение 1N4148
Колпачок SYMBOL 432304 R0
ОКНО 0 41 21 Левое 2
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Значение 0,01 мкФ
СИМВОЛ polcap 32-352 R0
ОКНО 0 39 25 Слева 2
ОКНО 3 38 49 Левое 2
SYMATTR InstName C3
SYMATTR Значение 15µ
SYMATTR Описание Конденсатор
SYMATTR Тип крышки
SYMATTR SpiceLine V = 63 Irms = 1,28323 Rser = 0,15 Lser = 0 mfg = "KEMET" pn = "T521X156M063ATE150" type = "Tantalum"
СИМВОЛ res -128 240 R0
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Значение 1k
СИМВОЛ СВЕТОДИОД -128 368 R0
ОКНО 0 84 37 Левое 2
ОКНО 3 76 61 Левое 2
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Значение NSPW500BS
ТЕКСТ 164 376 Слева 2!.тран 500 сек
ТЕКСТ 736-176 Слева 2; Ton = 0,693 (R1 + R2 x C) = 5,04 секунды
ТЕКСТ 736-200 Слева 2; Toff = 0,693 (R4 x C) = 10,06  

555 Таймер — обзор

Преобразователи напряжения в частоту

Преобразователь напряжения в частоту (VFC) — это генератор, частота которого линейно пропорциональна управляющему напряжению (высокоточный генератор, управляемый напряжением (VCO)) . АЦП VFC / счетчик является монотонным, не имеет пропущенных кодов, интегрирует шум и может потреблять очень мало энергии. Это также очень полезно для приложений телеметрии, поскольку VFC, который является небольшим, дешевым и маломощным, может быть установлен на экспериментальном объекте (пациенте, диком животном, артиллерийском снаряде и т.) и установить связь со счетчиком по телеметрической линии, как показано на Рисунке 6-74.

Рисунок 6-74 :. VFC и частотомер составляют недорогой, универсальный АЦП с высоким разрешением

Существуют две распространенные архитектуры VFC: мультивибратор с управлением по току VFC и VFC с балансировкой заряда. VFC с балансировкой заряда может быть выполнен в асинхронной или синхронной (синхронизированной) формах. Существует гораздо больше архитектур VFO (генератора с переменной частотой), включая широко распространенный таймер 555, но ключевой особенностью VFC является линейность — некоторые VFO очень линейны.

Мультивибратор с управлением током VFC на самом деле является преобразователем тока в частоту, а не VFC, но, как показано на рис. 6-75, практические схемы неизменно содержат преобразователь напряжения в ток на входе. Принцип работы очевиден: ток разряжает конденсатор до тех пор, пока не будет достигнут порог, а когда клеммы конденсатора меняются местами, полупериод повторяется. Форма волны на конденсаторе является линейной трехволновой, но форма волны на любом из выводов по отношению к земле является более сложной показанной формой волны.

Рисунок 6-75 :. Регулирующий ток VFC

Практические VFC этого типа имеют линейность около 14 бит и сопоставимую стабильность, хотя их можно использовать в АЦП с более высоким разрешением без пропущенных кодов. Пределы производительности устанавливаются пороговым шумом компаратора, пороговым температурным коэффициентом, а также стабильностью и диэлектрическим поглощением (DA) конденсатора, который обычно является дискретным компонентом. Структура компаратора / эталона напряжения, показанная на схеме, в большей степени отражает выполняемую функцию, чем фактическая используемая схема, которая гораздо более интегрирована с переключением и, соответственно, труднее анализировать.

Этот тип VFC является простым, недорогим и маломощным, и большинство из них работают в широком диапазоне напряжений питания. Они идеально подходят для недорогих АЦП средней точности (12 бит) и приложений телеметрии данных.

VFC баланса заряда, показанный на рис. 6-76, более сложен, более требователен к напряжению и току питания и более точен. Он поддерживает линейность 16–18 бит.

Рисунок 6-76 :. Баланс заряда VFC

Конденсатор интегратора заряжается от сигнала, как показано на рисунке 6-76.Когда он проходит порог компаратора, с конденсатора снимается фиксированный заряд, но входной ток продолжает течь во время разряда, поэтому входной заряд не теряется. Фиксированный заряд определяется прецизионным источником тока и шириной импульса прецизионного моностабильного устройства. Таким образом, частота выходных импульсов точно пропорциональна скорости, с которой интегратор заряжается от входа.

На низких частотах пределы производительности этого VFC устанавливаются стабильностью источника тока и моностабильной синхронизацией (которая, среди прочего, зависит от моностабильного конденсатора).Абсолютное значение и температурная стабильность интегрирующего конденсатора не влияют на точность, хотя его утечка и диэлектрическое поглощение (DA) влияют. На высоких частотах эффекты второго порядка, такие как переходные процессы переключения в интеграторе и точность моностабильного устройства, когда он повторно запускается очень скоро после окончания импульса, сказываются на точности и линейности.

Переключатель в источнике тока решает проблему переходного процесса интегратора. При использовании переключателя вместо переключателя включения / выключения, более распространенного в старых конструкциях VFC: (а) в прецизионном источнике тока отсутствуют переходные процессы включения / выключения и (б) выходной каскад интегратора видит постоянную нагрузку — большинство времени, когда ток от источника течет непосредственно в выходной каскад; во время баланса заряда он все еще течет в выходной каскад, но через интегрирующий конденсатор.

Стабильность и переходное поведение прецизионного моностабильного устройства представляют больше проблем, но этой проблемы можно избежать, заменив моностабильный бистабильный мультивибратор с синхронизацией. Эта схема известна как синхронный VFC или SVFC и показана на рисунке 6-77.

Рисунок 6-77 :. Синхронный VFC (SVFC)

Отличие от предыдущей схемы довольно мало, но длительность импульса баланса заряда теперь определяется двумя последовательными фронтами внешнего тактового сигнала.Если у этих часов низкий джиттер, заряд будет очень точно определен. Выходной импульс также будет синхронизирован с часами. SVFC этого типа обладают линейностью до 18 бит и превосходной температурной стабильностью.

Такое синхронное поведение удобно во многих приложениях, поскольку синхронную передачу данных часто проще обрабатывать, чем асинхронную. Однако это означает, что выходной сигнал SVFC не является чистым тональным сигналом (плюс, конечно, гармониками), как обычный VFC, а содержит компоненты, гармонично связанные с тактовой частотой.Отображение выходного сигнала SVFC на осциллографе особенно вводит в заблуждение и является частой причиной путаницы: изменение входа на VFC приводит к плавному изменению выходной частоты, но изменение на SVFC приводит к изменению плотности вероятности выходного сигнала. импульсов N и N + 1 тактов после предыдущего выходного импульса, который часто ошибочно интерпретируется как серьезное дрожание и признак неисправного устройства (см. Рисунок 6-78).

Рисунок 6-78 :. Формы сигналов VFC и SVFC

Другая проблема SVFC — это нелинейность на выходных частотах, связанных с тактовой частотой.Если мы исследуем передаточную характеристику SVFC, мы обнаружим нелинейности, близкие к субгармоникам тактовой частоты F _C , как показано на рисунке 6-79. Их можно найти по телефонам F _C /3, F _C /4 и F _C /6. Это происходит из-за паразитной емкости на микросхеме (и в схеме!) И передачи синхросигнала в компаратор SVFC, что приводит к тому, что устройство ведет себя как контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с инжекционной синхронизацией. Эта проблема присуща SVFC, но не часто является серьезной: если схемная карта хорошо спланирована, а амплитуда тактовых импульсов и dv / dts поддерживаются на минимальном уровне, это приводит к разрыву передаточной характеристики менее 8 LSB ( при разрешении 18 бит) при F _C /3 и F _C /4 и меньше на других субгармониках.Часто это допустимо, поскольку известны частоты, на которых это происходит. Конечно, если схема или развязка плохая, эффект может быть намного больше, но это вина плохой конструкции, а не самого SVFC.

Рисунок 6-79 :. Нелинейность SVFC

Очевидно, что SVFC квантован, а базовый VFC — нет. Из этого следует, что , а не , что АЦП счетчика / VFC имеет более высокое разрешение (без учета нелинейностей), чем АЦП счетчика / SVFC, потому что часы в счетчике также устанавливают предел разрешения.

Когда VFC имеет большой входной сигнал, он работает быстро и (если считать за короткое время) дает хорошее разрешение, но трудно получить хорошее разрешение за разумное время выборки с медленным VFC. В таком случае может быть более практичным измерить период выхода VFC (это не работает для SVFC), но, конечно, разрешение этой системы ухудшается по мере увеличения входа (и частоты). Однако, если устройство счетчика / таймера выполнено «умным», можно измерить приблизительную частоту VFC и точный период не одного, а N циклов (где значение N определяется приблизительной частотой) и поддерживать высокое разрешение для широкого диапазона входов.