基于Multisim的555定時器仿真設計

夏志祥

（南京航空航天大學繼續教育學院 江蘇 南京 210016）

1 引言

數字邏輯電路設計是一門具有很強實用性的課程，其實驗環節相當重要。555定時器是數字邏輯器件中比較有代表性的，應用比較廣泛，它可以用于信號的產生、變換、整形和測試。隨著計算機技術的不斷發展，計算機仿真技術已經成為電子工程設計中的重要輔助工具。利用Multisim仿真軟件進行數字邏輯電路設計的仿真實驗，不僅可以彌補實驗設備、元器件的短缺以及實驗設備的老舊和實驗元器件的規格不全等問題，而且可以利用該仿真軟件提供的多種分析工具、多種分析方法和眾多的虛擬儀器，更深入、更精確地掌握基礎理論內容，能夠很好地掌握相關的邏輯符號和邏輯器件，并能夠很好地掌握常用的顯示儀器和數字測量儀器的用法，進一步培養學生的動手能力和開拓創新能力。

2 Multisim仿真軟件在電子電路實驗中的突出特點

Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎的仿真軟件，非常適用于模擬、數字等電路的仿真設計工作。從推出至今，經歷了眾多版本。無論是哪一個版本，都包含了豐富的元器件、電路原理圖的輸入、電路硬件描述語言輸入方式等，具有極其豐富的仿真分析能力。作為Windows平臺下運行的個人桌面電子設計仿真軟件，Multisim 是一個完備的集成化設計環境[2]。Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節的這一問題。Multisim仿真軟件具有以下特點：

（1）圖形界面直觀化。Multisim仿真軟件的操作界面就像實際實驗中的電子實驗工作平臺，繪制仿真電路所需的各種各樣的元器件和仿真所需的各種各樣的儀器均可以直接拖放到屏幕上，直接用鼠標就可以用導線將它們連接起來，軟件儀器的虛擬面板和操作方式都與真實的儀器相似，測量所得到的數據、相關波形和相關特性曲線如同在實際實驗中得到的一樣。

（2）元器件庫極其豐富。Multisim仿真軟件元器件庫提供超過17000多種元件，同時可以很方便地對元件的參數進行編輯修改，可以利用模型生成器創建自己的元器件。

（3）仿真能力極其強大。Multisim仿真軟件以SPICE3F5和Xspice的內核作為仿真的引擎，通過Electronic workbench帶有的增強設計功能將數字和混合模式的仿真性能進行優化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向導等功能。

（4）測量儀器極其豐富。Multisim仿真軟件提供了超過20種的虛擬儀器進行相關數據、波形和曲線的測量。

（5）分析手段眾多。Multisim仿真軟件具有眾多的分析手段，比如直流工作點分析、交流分析、瞬態分析、傅里葉分析等。

3 555定時器簡介

555定時器的內部電路結構如圖1所示。它一共有8個引腳，1號引腳是接地端，2號引腳是觸發端，3號引腳是輸出端，4號引腳是復位端，5號引腳是電位控制端，6號引腳是閾值端，7號引腳是放電端，8號引腳是電源端。從組成部分來看，由3個5KΩ的電阻構成分壓器；由C1、C2構成的電壓比較器；由兩個兩輸入端的與非門交叉耦合構成的基本SR鎖存器；還有1個輸出緩沖反相器和1個集電極開路輸出三極管[1]。

圖1 555定時器內部電路結構圖

555定時器的工作原理如表1所示。

表1 555定時器的內部工作原理（VCC=5V）

4 Multisim中555定時器仿真實驗

例：555定時器構成多諧振蕩器

本例用Multisim仿真實驗來實現555定時器構成的多諧振蕩器。仿真實驗電路圖如圖2所示。選用了虛擬的555定時器，元器件的參數分別是：R1=10KΩ，R2=30KΩ，C1=100nF，C2=10nF，虛擬示波器的通道A、B分別觀看輸出波形和電容C1兩端電壓波形。多諧振蕩器的工作原理是：剛開始接通5V直流電源，該電源通過電阻R1、R2給電容C1充電，當電容C1兩端的電壓上升至（約3.34 V）時，輸出端（3號引腳）的狀態由高電平轉至低電平，同時放電端（7號引腳）的三極管導通，電容C1通過電阻R2進行放電，當電容C1兩端的電壓下降至（約1.67 V）時，輸出端（3號引腳）的狀態由低電平轉至高電平，同時放電端（7號引腳）的三極管截止，如此循環，電容C1的充、放電狀態一直保持，輸出端的狀態在高、低電平之間轉換，形成了多諧振蕩器。輸出端高電平維持的時間為：tpH=0.7(R1+R2)C1，輸出端低電平維持的時間為：tpL=0.7R2C1，多諧振蕩器輸出方波的周期：T=0.7(R1+2R2)C1。

圖2 555定時器構成的多諧振蕩器

仿真實驗中用虛擬示波器看到的波形如圖3、圖4所示。圖3是輸出電平從高到低轉換時刻點的波形，紅色波形是輸出方波，橙色是電容C1兩端電壓的波形，可以看出輸出電平從高到低轉換所對應的電容C1兩端電壓約為3.327 V，接近于（3.34 V）；圖4是輸出電平從低到高轉換時刻點的波形，紅色波形是輸出方波，橙色是電容C1兩端電壓的波形，可以看出輸出電平從低到高轉換所對應的電容C1兩端電壓約為1.671 V，接近于（1.67 V）；同時從圖3、圖4可以看出輸出低電平的時間為2.123ms，這與理論值

圖3 輸出電平從高到低的轉換時刻點

圖4 輸出電平從低到高的轉換時刻點

吻合，而輸出高電平的時間為2.811ms，這與理論值

吻合。

5 結語

綜上所述，采用Multisim來開發數字邏輯電路設計實驗取得了非常好的效果，無論是波形，還是實驗數據都與理論值非常接近。通過仿真實驗與硬件實驗相結合能夠很好地啟發和拓寬了思路，對實驗的開展起到了積極地促進作用。不足之處，本例中沒有就輸出方波的諧波分量進行分析，下次可以利用Multisim自帶的傅里葉分析功能對輸出波形的諧波分量進行分析。