基于Pspice的555定时器电路仿真分析 .............................................................. I
摘 要................................................................................................................................... I
IMPROVED CHAOS OPTIMIZATION ALGORTHM AND ITS APPLICATION .............................. I
Abstract ................................................................................................................................. I 第一章 绪论........................................................................................................................ II
1.1 概述........................................................................................................................ II 1.2 PSPICE简介 .......................................................................................................... II 第二章 Pspice程序设计................................................................................................. IV
2.1 Pspice的特点...................................................................................................... IV 2.2 OrCAD/Pspice 9电路设计分析............................................................................V 第三章 555定时器的等效电路....................................................................................... VI
3.1 555定时器原理电路............................................................................................ VI 3.1.1 555定时器构成的多谐振荡器及仿真分析...................................................VIII 3.1.2 555定时器构成的单稳态触发器及仿真分析................................................. XI 第四章 结论..................................................................................................................... XV 参考文献..........................................................................................................................XVI
A
插图索引
图1 555定时器内部结构框.................................................................................... VIII 图2 555定时器等效电路........................................................................................ VIII 图3 多谐振荡器电路原理图..................................................................................... IX 图7 多谐振荡器仿真输出波形................................................................................. IX 图5 单稳态触发器原理图......................................................................................... XI 图8 单稳态触发器仿真输出波形............................................................................ XII
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基于PSPICE的555定时器电路仿真分析
摘要
555定时器是一种应用十分广泛的中规模集成电路。本文扼要地分析了555定时器的基本原理，应用PSPICE对555定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的工作特性进行了仿真分析和研究, 给出555定时器电路分析的方法，阐明了仿真软件在电路分析与设计中的意义.
关键词:555定时器 PSPICE仿真 单稳态触发器 多谐振荡器
IMPROVED CHAOS OPTIMIZATION ALGORTHM AND ITS APPLICATION
student:fanqiang
Abstract
This paper it proposes a simple equivalent circuit to describe the function of 555 timer，Through the comparison of Pspice simulation with theoretic analysis，the author brings out an analysis method for 555 timer circuit,and specifies the significance of simulation software incircuitanalysis and circuit design.
Key words:555timer, Pspice simulation
1 绪论
I
1.1 概述
随着电子计算机技术的发展，计算机辅助设计已经逐渐进入电子设计的领域。模拟电路中的电路分析、数字电路中的逻辑模拟，甚至是印制电路板、集成电路版图等等都开始采用计算机辅助工具来加快设计效率，提高设计成功率。而大规模集成电路的发展，使得原始的设计方法无论是从效率上还是从设计精度上已经无法适应当前电子工业的要求，所以采用计算机辅助设计来完成电路的设计已经势在必行。同时，微机以及适合于微机系统的电子设计自动化软件的迅速发展使得计算机辅助设计技术逐渐成为提高电子线路设计的速度和质量的不可缺少的重要工具。
在电路设计工作方面，最初使用的是Protel公司DOS版本的Tango软件，在当时这一软件被看作是多么的先进，因为在这以前没有人能像电脑那样快速、准确的画出电路图，制出电路板。如今，随着Windows95/98及NT操作系统的出现，一些更方便、快捷的电路设计软件应运而生。如：Tango、Protel、OrCAD、PSpice、Electronics Workbench、VeriBest、PAD2000等。
1.2 Pspice简介
PSpice是较早出现的EDA(Electronic Design Automatic,电路设计自动化)软件之一，也是当今世界上著名的电路仿真标准工具之一，1984年1月由美国Microsim公司首次推出。它是由Spice发展而来的面向PC机的通用电路模拟分析软件。Spice(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美国加州大学伯克利分校开发的电路仿真程序，它在众多的计算机辅助设计工具软件中，是精度最高、最受欢迎的软件工具。随后，版本不断更新，功能不断完善。基于DOS操作系统的PSpice5.0以下版本自80年代以来在我国得到广泛应用。目前广泛使用的PSpice5.1以后版本是Microsim公司于1996年开发的基于Windows环境的仿真程序，并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商OrCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSpice产品正式并入OrCAD公司的商业EDA系统中,成为OrCAD/PSpice。但PSpice仍然单独销售和使用，推出的最新版本为PSpice 9.1。
II
PSpice软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，模拟和计算电路。它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。这些特点使得PSpice受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎，国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。 在国外，PSpice软件的使用非常流行。在大学里，它是工科类学生必会的分析与设计电路工具；在公司里，它是产品从设计、实验到定型过程中不可缺少的设计工具。世界各国的半导体元件公司为它提供了上万种模拟和数字元件组成的元件库，使PSpice软件的仿真更可靠，更真实。
PSpice软件几乎完全取代了电路和电子电路实验中的元件、面包板、信号源、示波器和万用表。有了此软件就相当有了电路和电子学实验室
在电子技术应用方面，一些电路经常需要在波形的变化与变换，定时与检测，控制与报警等方面被使用。而555定时器是一种将模拟与逻辑功能巧妙的结合在一起的中规模集成电路，该电路使用灵活，适用范围广，用它可以构成单稳、双稳、多谐振荡器等功能电路。555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路，该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器等功能电路，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测.要想灵活应用该集成电路，需要掌握其工作原理，该电路由4部分组成，涉及模拟电路的电压比较和三极管，数字电路的门电路组成的基本RS触发器，原理分析比较复杂.对于集成电路，更关心的是它的外部特性，本文利用等效电路法分析其工作原理，简单易于理解，并通过著名的电路仿真软件Pspice分析其应用电路，给出555定时器应用电路的简洁直观分析方法
2 Pspice程序设计
III
2.1 Pspice的特点
OrCAD/Pspice 9软件是美国知名度很高的EDA公司OrCAD公司和开发PSpice软件的Microsim公司于1998年实现强强联合后推出的Pspice的最新版本。他跟EWB等都是当前国际上关于电子电路设计与仿真应用非常广泛的优秀软件，与其他电路仿真软件(Protel99)相比，具有界面直观、操作方便、分析功能更强、元器件参数库及宏摸型库也更加丰富等优点。他改变了一般电路仿真软件输入电路必须采用文本方式的不便，设计者采用图形输入方式可以很直观方便地在电路设计窗口绘制电路，并对电路进行各种模拟分析，如不符合设计要求，可随时调整电路结构及元器件参数，重新进行模拟分析，直到满足设计要求。这种电子电路的分析、设计与仿真工作蕴含与轻点鼠标之间，大大提高了电子电路设计者的工作质量和效率。
OrCAD是一个软件包，而进行电路摸拟分析的核心软件是Pspice A/D，为使模拟工作做得更快更好、更具灵活性，OrCAD软件包提供了5个配套软件与之相配合：有电路图生成软件(Capture)、激励信号编辑软件(StmEd，Stimulus Editor)、模型参数提取软件(ModelEd，ModelEditor)、波形显示和分析模块软件(Probe)和优化程序软件(Optimizer)。使OrCAD/Pspice 9具有了电子工程设计的全部分析功能，不但能完成模拟数字电路分析，而且能完成数模混合电路分析。其主要分析功能有：
(1)直流特性分析 包括静态工作点(Bias PointDetail)、直流灵敏度(DCSensitivity)、直流传输特性(TF，TR_ansfer Function)和直流特性扫描(DCSweep)分析。
(2)交流分析 包括频率特性(ACSweep)和噪声特性(Noise)分析。
(3)瞬态分析 包括瞬态响应分析(TR_ansientAnalysis)和傅里叶分析(FourierAnalysis)。
(4)参数扫描 包括温度特性分析(TemperatureAnalysis)和参数扫描分析(ParameTR_ic Analysis)。
(5)统计分析 包括蒙托卡诺分析(MC，MonteCarlo)和最坏情况分析(WC，Worst Case)。
(6)逻辑模拟 包括逻辑模拟(DigitalSimulation)、数/模混合模拟(MixedA/DSimulation)和最坏情况时序分析(Worst-Case timing Analysis)。
IV
下面以具体实例来说明电子电路的设计与分析。
2.2 OrCAD/Pspice 9电路设计分析
其具体内容和步骤如下。 建立电路原理图
(1)创建原理图文件在Windows98桌面上,执行[开始/程序/OrCADDemo/Capture CISDemo]命令，进入Capture操作环境。选取菜单命令［File/NewProject］，屏幕上将出现NewProject对话框。在这个对话框的Name栏中，将要分析的OTL基本放大电路起名为al．ddb，并选定设计项目类型为“Analog or Mixed SignalCircuit”。
(2)载入仿真元件库 在NewProject对话框完成新建文件设置后，点击OK，进入元器件符号库设置框；在这上将出现电路图编辑窗口。
(3)调用仿真元件 在电路图编辑窗口下，启动［Place/Part］命令，屏幕上出现元器件符号选择框，放置于电路图中适当位置。再选取菜单命令［Place/Wire］，启用连线模式完成连线；选取菜单命令［Place/NetAlias］，启用节点设置模式完成节点的设置。
(4)对元器件属性进行编辑 双击各元件和激励源图标，分别选取相应的名称和符号。
电路设计软件有很多，如：Tango,Protel,OrCAD等，它们各有特色，Pspice月其他电路设计仿真软件相比，如Protel，它在电路系统仿真方面可以说独具特色，是其他软件无法比拟的，它是一个多功能的电路模拟试验平台，Pspice软件由于收敛性好，适于做系统及电路级仿真，具有快速，准确的仿真能力。其主要优点有：
(1)图形界面友好，易学易用，操作简单。
有Dos版本的Pspice到Windows版本的Pspice，使得该软件由原来单一的文本输入方式而更新升级为输入原理方式，使电路设计更加直观形象。Pspice6.0以上版本全部采用菜单式结构，只要熟悉Windows操作系统就很容易学，利用鼠标和热键一起操作，既提高了工作效率，又缩短了设计周期。
（2）实用性强，仿真效果好
V
在Pspice环境中，对元件参数的修改很容易，修改完后马上就可以进行仿真，如用Pspice进行参数修改仿真，则过程相当复杂。
（3）功能强大，集成度高
Pspice内集成了许多仿真功能，如：直流扫描，交流分析，噪声分析，温度分析等，用户只需在所要观察的节点放置电压探针，就可以在仿真结果图中观察其情况，而且该软件还集成了许多数算，不仅为用户提供了加，减，乘，除等基本的数算，还提供了绝对值，对数，指数等基本的函数运算，这些都是其他软件所无法比拟的。
另外，用户还可以对仿真结果窗口进行编辑，如添加窗口，修改坐标，叠加图形等，还具有保存和打印图形的功能，这些功能都给用户提供了制作所需图形的一种快倢，简便的方法。因此，Windows版本的Pspice更优于Dos版本的Pspice，它不但可以输入原理图方式，而且可以输入文本方式，因此它不失为电子工程师的好帮手。
3 555定时器的等效电路
3.1 555定时器原理电路
555 定时器原理电路如图1所示，由4部分组成:电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、输出缓冲器和放电三极管.该集成电路共有8个引出端分别为:1脚:接地端，符号GND;2 脚:触发输人端，符号:TR_，信号:V12;3脚:输出端，信号:V0;4 脚:复位端，符号:Rd_;5脚:阂值电压控制端，符号:CO，信号:Vco;6脚:阂值输人端，符号:TH，信号:V11;7脚:放电端，符号:DISC，信号:vo’;8脚 :电源端，信号:Vcc.
分析可得该集成电路的功能如表1. 555定时器功能等效分析与等效电路
由功能表可以看出:(1)该集成电路的功能分析可类比于触发器的功能分析，阂值输人端TH类比于RS触发器的置。输人端R为高电平有效，其高低电平的标准为(2/3Vcc);触发器输人端TR_比RS触发器的置1输人端S为低电平有效，其高低电平的标准为(1/3Vcc). (2)复位端RD_类比于触发器的异步复位端，优先权最高，低电平有效.若该端为低电平，则定时器输出低电平，放电三极管饱和.(3)放电三极管状态与输出
VI
状态的关系:输出为低电平，TD饱和导通，放电端相当于接地;输出为高电平，TD截止，放电端相当于开路.在某些定时器的应用电路中，该端的状态对电路功能的分析至关重要.
表1 555定时器功能表
由以上分析，555定时器可以用如图2所示等效电路表示，基本功能可以用RS触发器功能分析方法分析.若阂值输人端TH(置0输人端)输人高电平(大于2/3Vcc，有效)则定时器输出低电平(复位)，若触发输人端TR_(置1输人端)输入低电平(小于1/3Vcc，有效)则定时器输出高电平(置1).利用以上等效电路与等效分析，555定时器功能分析与应用更加简单与容易.555 定 时 器功能掌握还要与引出端功能相配合，引脚是抽象的数字不易记忆，但其引脚只有，再结合数字的谐音可以方便地记住引脚所对应的功能端.其中1脚(最小数字)是接地端，8脚(最大数字)是电源端，这是中小规模集成电路常采用的封装方式，很多555定时器应用电路都是给出引脚的连线图，所以对于这个通用集成电路记住其引脚功能是有必要的.
VII
图1 555定时器内部结构框
图2 555定时器等效电路
3.1.1 555定时器构成的多谐振荡器及仿真分析
Pspice仿真与定性分析
555定时器构成的多谐振荡器电路如图3所示，
VIII
图3 多谐振荡器电路原理图 瞬态分析仿真输出波形如下图7:
图7 多谐振荡器仿真输出波形
其功能分析的重点是R1,R3与C1构成的定时电路以及定时器内部放电三极管的状态转换一般教材中，工作原理波形分析不全面，下面结合Pspice仿真波形全面分
IX
析其工作原理.
调用Pspice程序中的瞬态特性分析功能(TR_ansientA nalysis)进行分析，以定时电容电压V1，和输出电压Vo为分析对象.根据多谐振荡器周期公式T=0.69 (R1+ 2R2)C1，计算周期为41.4 us. 设定仿真时间三个半周期左右为0. 14 ms，启动Pspice程序的瞬态特性分析得仿真波形如图4.
电源电压Vcc=10V，可知定时器阀值输人端阀值电压为2/3Vcc,触发输人端阂值电压为1/3Vcc
(1) 设电容初始状态为Vc1=0V(对应图4①位置)，则在接通电源瞬时即t=0s时刻，定时器TH=O,TR_.=O，触发输人端有有效信号，定时器输出Vo为高电平(对应图4②位置).
(2) 输出为高电平，放电三极管截止，则7端断开，2端触发输人端、6端阀值输人端对应集成运放输人端，几乎不取电流，也相当于断开，则电源V,会通过R1,R1对电容C,充电，电容C，两端电压Vc:上升(对应图4③位置).只要Vc1<2/3Vcc则始终有TH =0，输出为高电平.
(3)当电容电压上升到Vc1=2/3Vcc时(对应图4④ 位置),TH =1,TR_=1，定时器输出为低电平(对应图4⑤位置).
(4) 输出变为低电平，定时器内放电三极管To饱和导通,尺3上端电位几乎为零，电容C,通过R,、定时器内部放电三极管放电，电容两端电压下降(对应图4⑥位置).
X
此时，TH =0,TR_=1，输出低电平不变.
(5) 当 电 容电压下降到Vc1=1/3Vcc时(对应图4⑦位置),TH =O,TR_=0，定时器输出为高电平(对应图4⑧位置).
(6) 输出为高电平，放电三极管截止，则7端断开，2端触发输人端、6端阂值输人端对应集成运放输人端，几乎不取电流，也相当于断开，则电源V1会通过R1,R1对电容C1充电，电容C1两端电压Vc在1/3Vcc的基础上上升(对应图4⑨ 位置).之后，电路的工作过程重复波形(3)到（9）
Pspice仿真与定量计算
由Pspice仿真波形图4，可得电容电压第一、第二个峰值处时刻以及电压值分别为t1= 43.96 us,V1=6.668V ;t2=85.83us,V2=3.66 8V .两时间差T= t2-t1=41.87us即为振荡周期.V1为阂值输人端阂值电压，V2为触发输人端阂值电压，理论值与仿真结果误差仅为0.001V .根据周期计算公式T=0.69 (R1+2R2)C1可得理论上的周期为41.4 us，误差仅为0.47us.仿真结果与理论分析结果非常接近.
3.1.2 555定时器构成的单稳态触发器及仿真分析
555定时器构成的单稳态触发器如图5，
图5 单稳态触发器原理图
XI
瞬态分析仿真输出波形如图8：
图8 单稳态触发器仿真输出波形
其工作原理分析重点是R1,C1构成的定时电路和定时器内部的放电三极管Td.该电路采用的电源电压Vcc=15 V，可知定时器阀值输人端阀值电压为2/3Vcc= 10V,触发输入端阀值电压为1/3Vcc=5V.下面结合Pspice仿真波形分析单稳态触发器工作原理.
Pspice仿真与定性分析
以触发信号V2、定时电容电压V2,和输出电压Vc1为分析对象·根据单稳态触发器输出脉冲宽度公式tw=1.1*R1*C1计算此电路tw=11ms.选择触发信号为周期为20ms，宽度为5ms.启动Pspice程序的瞬态特性分析得仿真波形如图6.
(1) 刚接通电源且没有触发脉冲输人时，TK =1，无效.电容两端电压不能跳变Vc1=0，即阀值输人端TH=0，定时器保持原状态.但原状态不知道，所以需要分析得出.分两种情况，若为高电平，则7端放电三极管截止，电源V1通过电阻R1和电容C1构成回路，对电容Cl充电，电容C1两端电压上升，阂值输人端Th电压上升直至2/3Vcc=10V,输出变为低电平，放电三极管饱和，7端相当于将电容C1短路，电容迅速放电，6端Th=0无效，输出维持低电平.若刚接通电源输出为低电平，7端放电三极
XII
管饱和导通，电容两端均接地电压为零，6端TH=0，输出仍然为低电平稳定值，综上所述刚接通电源时，若没有低电平触发脉冲，输出为稳定的低电平，处于稳定状态(对应图6①位置).
(2)当有触发脉冲加人时(对应图6②位置)，TR_=0,TH=0，输出变为高电平.输出一变为高电平，则定时器内部放电三极管TD截止，电源V1通过电阻R1和电容Cl构成回路，对电容C1充电，电容C1两端电压上升(对应图6③位置).
(3)当电容两端电压上升直到2/3Vcc= 10V时(对应图6④ 位置),TH =1，输出变为
低电平(对应图6⑤ 位置)，放电三极管饱和，7端相当于将电容C1短路，电容迅速放电电压下降到几乎为零(对应图6⑥ 位置).之后等待下一个触发脉冲的作用，以后触发脉冲作用原理分析同上.通过以上结合Pspice仿真的分析，能够直观的理解单稳态触发器的工作原理.对于全面掌握该电路有重要的意义.
XIII
Pspice仿真与定量计算
由图6可 得低电平触发脉冲开始时刻t1=10.079ms，暂稳态结束时刻t2= 21.031ms,暂稳态持续时间Pspice仿真结果为Tw=t2-t1=10.952ms.根据单稳态触发器暂稳态计算公式Tw=1.1*R1*C1=11ms，仿真结果与理论分析误差仅为0.048ms，可见Pspice仿真结果对实际电路设计具有重要意义和实际应用价值.
修改输入波形频率，比较波形之间的不同。
择触发信号为周期为20ms，宽度为5ms.电容C1=2uf,启动Pspice程序的瞬态特性分析得仿真波形如图9
图9 瞬态特性分析得仿真波形
根据单稳态触发器暂稳态计算公式Tw=1.1*R1*C1=44ms. 低电平触发脉冲开始时刻t1=10.079ms，暂稳态结束时刻t2= 55.121ms,暂稳态持续时间Pspice仿真结果为Tw=t2-t1=45.042ms. 仿真结果与理论分析误差为1.042ms.
XIV
4 结论
利用Pspice软件对电路进行设计仿真，仿真效果准确，逼真，形象，在跟踪性和快速性方面取得了令人满意的效果。可以达到电路的最优化设计，既可以省去在面板上做繁杂的试验，又可以节省购买实验元器件，它为电路设计者提供了一个创造性的工作环境，不仅能使设计者的设计达到高质量、高可靠性，同时它使设计者有更多的时间和机会更充分地发挥其聪明才智，实现更好的优化。
本文通过对555定时器功能的分析利用著名的电子电路仿真软件Pspice对555定时器构成的两个典型电路进行了仿真，从定性和定量两个角度对照理论分析结果进行分析，得到了很好的对应结果.可见在电子电路的分析与设计中，采用仿真软件的辅助，可以很容易地得到与实际设计相近的结果，简化设计过程.
XV
参考文献
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[10] 吴建强 主编. PSpice仿真实践. 哈尔滨工业大学出版社, 2001
XVI
致 谢
经过将近一个学期的努力，基于PIPICE的555定时器电路仿真分析顺利完成，在此我要特地感谢我的导师唐卫华以及我的同学们，在设计中给予我很大的支持和帮助。
其次感谢授课老师课上对我们的教导，你们丰富的授课内容拓宽了我的视野，让我能更顺利的完成这篇文章；感谢我的同学们,你们不仅让我感受到友情的力量，也让我感觉到了生活的愉悦，通过课堂讨论学到的思维方式将使我受益终生；还要感谢物电学院所有的领导不遗余力的支持，没有你们的悉心教导和帮助，这篇论文是无法完成的。还有很多我无法一一列举姓名的师长和友人给了我指导和帮助，此衷心的表示感谢
最后，我还要所有参与论文评审的老师们表示感谢，感谢他们对我的帮助和支持。
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