chanong 引言555定时器构成的三种典型电路进行仿真分析
555定时器是一种将模拟功能和数字（逻辑）功能紧密结合在一起的中小型单片集成电路。 它的功能多样，用途广泛。 只要外接少量电阻电容元件，即可组成单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器等电路。 它是脉冲波形产生和变换的重要元件。 广泛应用于信号产生与转换、控制与检测、家用电器、电子玩具等领域。
OrCAD/作为国际著名的电子设计自动化软件之一，具有仿真速度快、精度高等优点。 它不仅可以用于电路分析和优化设计，还可以与印制板设计软件配合使用，实现电子设计自动化。 它被公认为最好的通用电路仿真程序之一。 例如：基于此软件等。 提出了微波整流天线的时域模型； 杜等人。 提出了一种从三维时域场分析中提取S参数的方法； 张等人。 模拟E类功率放大器的特性。 ，并进行了实验验证； 等人。 分析了低相位噪声振荡器的特性并计算了负载Q值； 等人。 设计了Δ-Σ A/D转换器并对其信噪比进行了仿真； 布雷克等人。 提出了一维和二维薄膜模型并模拟了它们的接触电阻。 这些表明OrCAD/软件是现代电子电路设计的有益工具。
本文以OrCAD/10.5为工具，对555定时器组成的三种典型电路进行了仿真分析，得出了一些有价值的结论。
1 555定时器框图及工作机制
555定时器的图形符号及引脚图如图1所示。引脚1为公共端，引脚2为触发端，引脚3为输出端，引脚4为复位端，引脚5为控制端终端。 电压输入端，6脚为阈值端，7脚为内部晶体管的放电端，8脚为电源端。
555定时器的内部电路框图如图2所示。集成电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、输出缓冲器和放电晶体管四部分组成。
比较器的参考电压经过三个5kΩ电阻分压，使高电平比较器A1的同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2Vcc/3，分别为Vcc。 /3。 A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。 当输入信号输入超过2Vcc/3时，触发器复位，555的输出端3输出低电平，同时放电，开关导通； 当输入信号从2脚输入且低于Vcc/3时，触发装置，555的3脚输出高电平，同时充电，开关管截止。
MR为复位端。 当为0时，555输出低电平。 通常此端保持开路或连接到 Vcc。
CO 是控制电压端子（引脚 5）。 通常输出2Vcc/3作为比较器A1的参考电平。 当引脚5连接外部输入电压时，比较器的参考电平发生变化，从而实现另一种输出控制。 控制，在没有外接电压时，通常会接一个0.01μF的电容到地，起到滤波器的作用，消除外界干扰，保证参考电平的稳定。
T是放电管。 当T导通时，它将为连接到引脚7的电容器提供低电阻放电电路。
2 单稳态触发器仿真分析
单稳态触发器广泛应用于脉冲整形、延迟和定时电路。 单稳态触发器有稳定状态和临时稳定状态。 当没有外部触发脉冲时，电路保持稳定。 当有外部触发脉冲时，电路从稳态翻转到暂稳态，并输出一个脉宽和幅值恒定的矩形脉冲。 输出脉冲宽度TW等于暂稳定状态的持续时间，暂稳定状态的持续时间取决于R2和C2，则：
运行OrCAD/，使用绘制的555定时器组成的单稳态触发电路如图3所示。输入信号Vi为脉冲电压源（），其参数设置如下：
值得注意的是，输入信号的重复周期必须大于输出脉冲宽度TW，输入信号的脉冲宽度应小于TW，以保证每个正反相脉冲都起作用。
采用OrCAD/10.5的瞬态分析功能进行仿真。 瞬态分析（Time）是指计算电路输出在给定输入激励信号作用下的瞬态响应。 其本质是计算时域响应。 设置瞬态分析参数以从时间零开始记录数据并在 4 ms 处结束，最大步长为 0.1 ms。 经过瞬态分析，得到如图4所示的输出电压波形。 锯齿波是电容C2两端的电压，方波是555输出端Vout的电压波形。
从图4可以看出，电容C2有一个自动充放电过程。 当触发脉冲到来时，电源Vcc通过R2对电容C2充电。 在从0V充电到3.33V左右之前，555定时器的输出始终保持高电平，一旦电容充电到3.33V，555的输出立即转为低电平，然后电容C2从3.33V开始快速放电。 V 降至 0 V，然后开始新的充放电过程。 在555的输出端Vout可以得到周期性的矩形脉冲，脉冲宽度约为1.09 ms，接近1.1R2C2的理论计算值。 并且输出脉冲的宽度与输入信号的脉冲宽度和幅度无关。
3施密特触发器仿真分析
由555定时器组成的施密特触发器将阈值端和触发端连接在一起作为输入端。 运行OrCAD/，画出的555定时器组成的施密特触发电路如图5所示。输入信号Vi为三角波电压源（VPWL），其参数设置为：
使用瞬态分析功能进行仿真，设置瞬态分析参数，从零时开始记录数据，3ms结束。 最大步长为 1 μs。 得到555输出端Uout的电压波形和输入电压波形，如图6所示。
从图6可以看出，该电路可以将输入的三角波转换成方波输出。 当输入三角波电压增大时，输出电平发生转换时对应的阈值电压约为8V。当输入三角波电压减小时，输出电平发生转换时对应的阈值电压约为4V，即上阈值电压与下阈值电压不同，并且输入和输出之间存在滞后特性。 将输入信号改为正弦信号后，输入输出电压波形如图7所示，仍然呈现迟滞特性，上阈值电压和下阈值电压仍然分别为8 V和4 V。 这正是触发器电路的工作特性。 仿真结果与理论计算结果的上阈值电压（2/3 Vcc）和下阈值电压（1/3 Vcc）一致。
4 多谐振荡器仿真分析
多谐振荡器是一种自激振荡器，接通电源后无需外部触发信号即可自动产生矩形脉冲。 运行OrCAD/CIS，使用绘制的555定时器组成的多谐振荡器电路如图8所示。
该电路由一块555B芯片、两个电阻和两个电容组成。 电阻对电容C1进行充放电，产生振荡，从而输出矩形脉冲。 启动瞬态分析功能，观察电容C1端电压和555输出端Vout电压，得到如图9所示的波形。图9中发现555定时器组成的多谐振荡器的输出电压Vout总是保持在高位并且不会产生预期的振荡。
4.1 OrCAD/China 555多谐振荡器无法起振的原因
分析表明，国产555多谐振荡器不能起振的原因在于振荡源。 实际振荡电路之所以能够自行起振，是因为振荡源的存在。 振荡电路的实际振荡源主要由两个因素组成：一是振荡电路晶体管内部的噪声和电路噪声（电阻热噪声等）引起的；二是由振荡电路晶体管内部的噪声和电路噪声（电阻热噪声等）引起的。 另一种是电路上电时的浪涌电流造成的。 直接仿真图6电路时，电路中的555定时器、电阻、电容、电源等元件以及电路连接过程都会理想化，即电路中不能产生噪声或干扰。 因此，如果没有振动源，振动就不可能自然发生。
4.2 有效的振动启动方法
经过查阅相关文献[10]并通过多次实验验证，我们发现启动电路的方式有很多种。 这里介绍两种最简单的方法供大家参考：
(1) 为电容器添加初始值（IC 值）。 本例中，仅将C1和C2的IC设置为0。电容器上的初始电压仅刺激振荡电路的振荡。 它不改变电路振荡后的输出波形，也不影响振荡电路振荡特性的研究。
(2) 激活瞬态分析仿真设置（ ）中的初始瞬态偏置点计算（跳过 ）选项施密特触发器仿真，直接使用各元件的起始条件进行瞬态分析。
两种方法都能成功启动555多谐振荡器并连续输出脉冲波形。
4.3 仿真结果与理论计算值的比较
4.3.1 计算指标理论值
根据图8的多谐振荡器电路计算该指标的理论值：
充电时间常数：
4.3.2 模拟值
在OrCAD/中，利用前面提出的模拟振荡电路的振荡方法得到555振荡电路输出端的矩形脉冲电压波形，如图10所示。
从图10可以看出，电源Vcc首先通过R1、R2对C1充电，使电容C1从0V充电到2Vcc/3，再从2Vcc/3放电到Vcc/3，再从Vcc/3至2Vcc/3，电容C1形成周期性的充放电过程，从而在555的输出端Vout形成周期性的矩形脉冲波，构成多谐振荡器。 如图10所示，可以得到输出矩形脉冲特征参数：
仿真结果表明，输出脉冲周期和占空比系数的仿真值与理论值基本一致。 同时分析表明，其值仅与电阻和电容值有关。 电容器上的初始电压仅刺激振荡电路的振荡。 电路开始振荡后不会改变输出波形，也不会影响振荡电路的振荡特性。 研究。
5 结论
利用OrCAD/10.5对单稳态触发器、施密特触发器和555定时器构成的多谐振荡器的特性进行了仿真分析。 同时对仿真过程中多谐振荡器不振荡的问题进行了讨论，并提出了一种有效的振荡电路启动方法。 仿真结果与理论计算值基本一致，表明OrCAD/是电子电路设计人员必须掌握的基本工具。 一。
