【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

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。

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：

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。
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。
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。
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。
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。
优点：
- 简单易用，广泛应用于电子电路设计。
- 成本低，可靠性高。
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

二、功能框图与引脚说明

1.1 功能框图

1.2 引脚说明

引脚	符号	功能
1	GND	地
2	RTIG	触发
3	OUT	输出
4	R	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
7	DIS	放电
8	VCC	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。

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）：

功能：
- 运放是一种差分放大器，主要用于放大信号。
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。
运算模式：
- 反相放大器、非反相放大器、比较器等。
反馈：
- 通常使用反馈网络来调整增益和性能。
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：

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。
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）。
运算模式：
- 主要用于比较两个输入信号的大小。
反馈：
- 通常没有明确的反馈网络。
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：

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。
输出类型：
- 运放输出是模拟信号，比较器输出是数字信号。
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。
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：

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。
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。
工作模式：
- 比较器一般工作在开环模式，不反馈输出到输入。
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）：

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。
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。
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。
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。

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。

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：

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
│   │
└───┘
```
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。
真值表： 反相门的真值表如下：

输入输出

0 1

1 0
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。
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)
0	1
1	0

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。

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）。

"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)
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

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

有两个稳定状态低电压0态和高电压1态；
能根据输入信号S将触发置成0或1态；
输入信号消失后，被置成的0或1态能保存下来，
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。

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。

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。
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：

S	R	Q (Output)	Explanation
0	0	Q(t-1)	No change
0	1	0	Reset (Q = 0)
1	0	1	Set (Q = 1)
1	1	Invalid	Undefined behavior

工作原理：

当S=0，R=0时，输出保持上一个状态。
当S=0，R=1时，触发器被复位，输出Q变为0。
当S=1，R=0时，触发器被设置，输出Q变为1。
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：

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。
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：

S	R	Q (Output)	Explanation
0	0	Q(t-1)	No change
0	1	0	Reset (Q = 0)
1	0	1	Set (Q = 1)
1	1	Invalid	Undefined 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。

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：

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。
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。
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

参考数据手册接出应用线路

步骤如下

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

仿真观察

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。