设置你的音调

这里将教你使用555定时器的另外两种方法。

你除了需要用到实验16中所用的东西之外，还需要如下东西

□ 增加一个555定时器，数量：1个。

□ 微型扬声器，数量：1个。

□ 100 kΩ线性电位器，数量：1个。

步骤

保持实验16中的元件在面包板上的位置不动，在它们的下方添加电路的另一个部分，如图4-21和图4-22所示。将电阻器R₂插入引脚6和引脚7之间，取代原来电路中这两个引脚之间的短路跳接线。在引脚2上不再加任何外部输入，取代它们的是在引脚2和引脚6之间加入一根跳接线。做到这一点，最容易的办法是在芯片的头上走线。

图4-21 这些元件应该添加对应图4-14 所示电路原理图的同一块面包板的下方。请使用以下参数来测试555定时器的不稳定模态。

R₁：1 kΩ

R₂：10 kΩ

R₃：100 Ω

C₁：0.047 µF 陶瓷电容器或电解电容器

C₂：0.1 µF 陶瓷电容器

IC₂：555定时器

在图4-22的电路原理图中，我忽略了电源两端的平滑电容器，因为我假定你是在前一个实验的面包板上搭建这个电路的，原来的那个平滑电容器仍然是有效的。

图4-22 图4-21 所示电路的原理图。元件参数跟图4-21相同

将一个扬声器与一个100 Ω 的电阻器（R₃）串联，以取代用于显示芯片输出的LED。由于在这个电路中我不希望使用复位功能，因此将引脚4（复位引脚）连接到供电电源的正端，使它被屏蔽。

现在若加上电源，将会发生什么呢？你将马上听到从扬声器里发出来的噪音。如果你没有听到任何声音，那么几乎可以肯定你在接线上出了错。

请注意你不再需要用一个按钮来触发芯片了。其原因在于当C₁充电和放电时，其上波动的电压将通过横跨在芯片上方的跳接线连接到引脚2（即触发器引脚）。这样一来，555定时器就可以自己触发自己。在“理论知识：555定时器的原理：非稳态模式”中，我对这个问题作了更详细的描述，以供那些想了解其中精确原理的读者参考。

在这种模式中，芯片是“不稳定的”，这表示它处于不稳定的状态，只要加有电源，它就无休止地来回翻转，发送出脉冲流。这脉冲的速度是如此之快，以致扬声器将其转变成了噪音。

事实上，当采用我给出的R₁、R₂和C₁的参数时，555芯片每秒大约会发出1 500 个脉冲。换句话说，它产生的音调为1.5 kHz。

对于555芯片的非稳态模式，请从下面“基础知识”的表格中选用R₂和C₁的参数，以得到不同的脉冲频率（请注意该表假定电阻器R₁的阻值固定为1 kΩ）。

理论知识

555定时器原理：非稳态模式

图4-23所示为非稳态模式下555定时器内部发生的事情。开始时，触发器跟以前一样把C1接地。不过现在电容器上的低电压是通过外部导线从引脚7连接到引脚2的。这个低电压告诉芯片去触发自己。触发器顺从地翻转到其“on”位置，并往扬声器发送一个正脉冲，同时从引脚7上移除负电压。

图4-23 当555 定时器用在非稳态模式下，电阻器R2被连接在引脚6和引脚7之间，并且引脚6通过外部导线连接到引脚2，以使定时器能够自己触发自己

现在C₁也跟在单稳态中一样开始充电，只是其充电是通过电阻器R₁和R₂串联来进行的。由于这里的电阻器具有低阻值，并且C₁也比较小，所以C₁充电很快。当C₁达到满电压的2/3时，比较器B跟以前一样采取行动，使电容器放电，并终止引脚3的输出脉冲。

该比较器放电的时间要比以前长，因为在该电容器与引脚7（放电引脚）之间插入了电阻器R₂。当电容器放电的时候，释放电压，它仍然是连接在引脚2上的。当电压下降到满电压的1/3或更低的时候，比较器A起作用，它发送另外一个脉冲到触发器，重新开始整个过程。

总结如下。

（1）在非稳态模式下，一旦连接上电源，触发器就会拉低引脚2上的电压，触发比较器A，从而使触发器翻转到其DOWN位置。

（2）引脚3（输出）变高。电容器通过串联的电阻器R₁和R₂充电。

（3）当电容器达到供电电压的2/3 时，触发器电压变高，引脚3的输出变低。电容器开始通过R₂放电。

（4）当电容器上的电荷释放到满电压的1/3时，引脚2上电压的下拉会再次使触发器翻转，使循环重新开始。

不相等的on/off周期

当555定时器运行在非稳态模式时，C₁通过串联的电阻器R₁和R₂充电。但是当C₁放电时，它仅仅通过R₂释放其电压，这就意味着电容器充电要比放电缓慢。当它充电时，引脚3上的输出为高；而当其放电时，引脚3上的输出为低。因此，on周期总要比off周期长。图4-24以简单的图形说明了这个问题。

图4-24 在通常的非稳态模式下，555 定时器通过R₁+R₂对电容器充电，而仅仅通过R₂对电容器进行放电，因此其on输出周期要比off输出周期长

如果你希望on和off的周期相等，或者你希望单独地调整on和off的周期（例如，因为你希望往另外一个芯片发送一个短暂的脉冲，其后跟随一个较长的间隔，之后再发送下一个脉冲的时候），那么你所要做的就是增加一个二极管，如图4-25所示。

这样一来，当C₁充电时，就跟以前一样电流只流经R₁，而R₂则被二极管D₁短路了。当C₁放电时，二极管处于阻断状态，因此放电仍然通过R₂进行。

现在，充电时间就由R₁单独控制，而放电时间则由R₂控制。计算频率的公式为

频率=1 440 /［（R₁+R₂）×C₁］

如果让R₁=R₂，就可以得到几乎相等的on/off周期（之所以是“几乎”，原因在于二极管本身也存在一个大约为0.6 V 的内部电压降）。精确的数值主要取决于二极管的制造工艺。

图4-25 这是图4-22 所示电路原理图的改进版本。在非稳态模式下的555 定时器电路中加入一个二极管，就从电容器C₁的充电周期中消除了R₂的作用。这样一来，我们就可以用R₁的数值来调整on输出周期，用R₂的数值来调整off输出周期，使得on和off的持续时间彼此独立

基础知识

下面给出了555定时器在非稳态模式下的频率。

□ 频率为每秒的脉冲数，保留小数点后两位有效数字。

□ 水平坐标为电阻器R₂的常用阻值。

□ 垂直坐标为电容器C₁的常用容值。

□ R₁被假定为1 kΩ。

当需要计算跟表中不同的频率时，算法为：将电阻R₂乘以2，结果加到R₁，再将和乘以C₁，最后再用结果去除1 440。即

频率=1 440/［（R₁+2×R₂）×C₁］（Hz）

在这个公式中，R₁和R₂的单位为kΩ，C₁的单位为µF，频率的单位为Hz。请注意频率的计算是从一个脉冲的开始到下一个脉冲的开始。每个脉冲的持续时间跟脉冲之间的长度不是一回事。这个问题已经在前一节讨论过了。

非稳态模式的改进

在图4-22 或图4-25 所示的电路中，如果你用一个100 kΩ 的电位器来代替R₂，通过旋转电位器的转轴就可以上下调整频率。

另一个方法是通过引脚5（控制引脚）来“调谐”定时器，如图4-26所示。断开控制引脚上连接的电容器，代之以图中所示串联的电阻器。其中R₁₀是100 kΩ 的电位器，它两侧的R₉和R₁₁都是1 kΩ 的电阻器。这可以保证引脚5与电源的正端以及与电源的负端之间都至少有1 kΩ 的电阻。直接将引脚5 连接到电源不会毁坏定时器，但是却会导致它无法产生人耳能够听到的音调。当你来回转动电位器时，频率将在一个很大的范围内变化。如果你希望产生某个非常特别的频率，那么可以使用微调电位器来取代普通的电位器。

图4-26 尽管控制引脚5 极少使用，但它确实是很有用的。改变其上的电压可以调整定时器的速度。图中的电路使你可以测试这个特性。各元件的参数如下。

R₁：1 kΩ　R₉，R₁₁：1 kΩ

R₂：10 kΩ　R₁₀：100 kΩ的线性电位器

R₃：100Ω　C₁：0.047µF

使用引脚5来调整频率的主要优点在于，可以进行远程控制。将另外一个运行于慢速非稳态模式的555定时器的引脚3的输出引出来，让其通过一个2k2的电阻器，然后再接到第一个555定时器的引脚5上。现在，由于一个定时器控制另一个定时器的缘故，你将得到具有两种音调的报警效果。此外，如果你在引脚5和地之间加一个100 µF 的电容器，那么电容器的充电和放电将使声调按一定的坡度上升和下降，而不再是急剧切换。稍后我将对这一点做更加详细的介绍。这很自然地把我们带入了用一个芯片来控制另一个芯片的主题，它将是本次实验的最后一个变化。

芯片的链接

一般来讲，芯片都会被设计成具有彼此通信的能力。用555定时器来实现这个功能是再容易不过了。

□ 可以将第一个555定时器的输出引脚3直接连接到第二个555定时器的触发引脚2。

□ 或者，也可以用第一个555定时器的输出来驱动第二个555定时器的引脚8。

□ 也可以用555定时器的输出来控制其他类型的芯片或给它们供电。

如图4-27所示。

当第一个555定时器的输出变高时，其电压大约为供电电压的70%～80%。换句话说，当你使用9 V 的电源时，输出为高时的电压至少有6 V。这仍然比第二个芯片触发其比较器所需要的最小电压5 V 要高，因此不会存在什么问题。

图4-27 链接555 定时器的3 种方式。IC₁的输出可以给第二个定时器供电，也可以用来调节第二个定时器的控制电压，或者激活第二个定时器的触发引脚

你可以将你的面包板上已有的两个555定时器链接起来。图4-28显示了将前面图4-15和图4-22所示的两个电路连接起来的方法。只需在第一个芯片的引脚3（输出）和第二个芯片的引脚8（供电电源正端）之间连一根线，并且断开引脚8现有的供电电源连线就可以了。新添加的导线以红色显示。现在，当你按下按钮激活第一个芯片时，它的输出就会给第二个芯片供电。

图4-28 断开第二个定时器引脚8 上的电源连线，并且另外连一条线来替代（图中的红线），就可以将图4-15和图4-22所示的两个电路简单地组合起来

你也可以用一个芯片的输出来触发另一个芯片（也就是说，你可以将第一个芯片的引脚3连接到第二个芯片的引脚2）。当第一个芯片的输出为低时，其电压将低于0.5 V。这远低于第二个芯片激活所需要的门槛电压。为什么要做这种事情呢？我想，也许你想让两个定时器都运行于非稳态模式，以便在第一个芯片发出的高电平脉冲结束的时候，可以去触发第二个芯片，使它开始发出一个高电平脉冲。实际上，你可以按这种方式来链接任何你所需要数目的芯片，并把最后一个芯片的输出反馈回去，来触发第一个芯片，这可以用来使一系列的LED依次闪亮，就像圣诞节的彩灯一样。图4-29显示了将4个定时器按这种方式链接起来的情况，图中的布局所占用的空间是最小的（可以在模型电路板上一一对应地逐点连线来搭建这个电路，但不能用面包板形式的那种模型电路板）。如果使用相对较高阻值的电阻器来限制负载电流的话，那么1号到4号芯片的每个输出都可以驱动大约10个LED。

图4-29 将4 个555 定时器链接成一个环形，可以使一系列的4组LED依次闪光，就像圣诞节的彩灯或电影院广告板一样

顺便提一下，你可以使用两片556定时器来代替4片555定时器，以减少芯片的数目。一片556芯片中封装了两个555定时器。不过，由于这两个方案的外部连线数量（供电电源连线除外）是一样的，因此我没有自找麻烦去试这个代替方案。

你甚至可以使用单片的558，它里面有4片555，全部预设在非稳态模式。我之所以不用这个芯片，是因为其输出行为跟普通的555定时器不同。不过如果你愿意，可以买一片558定时器芯片自己玩玩。它对于实现前面提到的“4个定时器链接”的应用十分理想。其性能参数表甚至推荐了这个应用。

最后，让我们回到在非稳态模式下修改555定时器频率的点子，我们可以像图4-30那样来链接两个定时器。图中的红线是从第一个定时器的输出引脚到第二个定时器的控制引脚之间的连线。这里我们对第一个定时器的接线重新连接了，以使其工作于非稳态模式，产生大约每秒4次的on/off输出振荡。这个输出使LED闪光（以使你可以凭视觉来检查所发生的事情），并通过R₇将信号馈送到第二个定时器的控制引脚。

但是C₂是一个大电容，通过R₇给它充电需要耗费时间。这样一来，引脚5感知到的电压就会缓慢上升，因此IC₂产生的声音音调就会逐渐升高。然后IC₁达到其on周期的终点并自动关闭，在这一时刻，C₂放电，IC₂产生的声音的音调就会下降。

图4-30 当两个定时器处于非稳态模式下，但IC₁的工作速度比IC₂慢很多的时候，可以利用IC₁的输出来对IC₂的输出进行调制。需要注意的是，由于本图中的电路相对前面那些电路有了较大的改动，因此我对好几个元件做了重新标识。为了避免错误，你可能需要将面包板上的旧电路移除，从草图开始重新搭建新电路。请先使用下面的元件参数。

R₁，R₄，R₆，R₇：1 kΩ

R₂，R₅：10 kΩ

R₃：100 Ω

C₁：0.047 µF

C₂，C₃：100 µF

C₄：68 µF

C₅：0.1 µF

你可以微调这个电路来产生各种各样的声音，比起用PUT晶体管来完成同样的事情来，这个电路的可控性要好得多。以下是可尝试的一些其他选择。

□ 使电容器C₂的容值翻倍或减半。

□ 完全忽略C₂，改变R₇的阻值来进行实验。

□ 用一个10 kΩ 的电位器来代替R₇。

□ 改变C₄，以增加或降低IC₁的周期时间。

□ 使R₅的阻值减半，同时使C₄的容值加倍，以使IC₁的周期时间基本保持不变，但是on时间变得大大长于off时间。

□ 将电路的供电电压从9 V变到6 V 或12 V。

请注意，进行以上这些改变不会导致555定时器损坏。不过要保证供电电源的负端连接到引脚1，正端连接到引脚8。