电火花脉冲控制电路

毕业设计（论文）

题目电火花脉冲控制电路

专业 xxx

班次 xxx

姓名 xxx

指导老师 xxx

Zxxx学校

二0一一年五月

摘要

本次设计目的是对电火花加工脉冲控制电路学习和研究。电火花加工技术是现代生产制造技术中的一个重要组成部分，而电火花加工用的脉冲电源的作用是把工频交流电转换成一定频率的单向脉冲电流，以供给电极放电间隙蚀除金属所需要的能量。在设计中是使用555多谐振荡器的基础上通过改变外接滑动变阻器的连接方式而来，满足了设计要求中的占空比和周期可变且互不影响，在此原理上并完成电路板的焊接、仿真。

2010年5月

Abstract

This design goal is to Electrical discharge machining pulse control circuit for study and research. Electrical discharge machining technology of modern manufacturing technology is an important component, And Electrical discharge machining pulse power role in the industrial frequency alternating current is converted into certain frequencies in the one-way pulse current supply electrode, discharge state, this metal removal in the energy needed to power. In the design is to use the 555 much harmonic oscillator based on the slide rheostat by changing external connections, To satisfy the design requirements of 390v and periodic variable and mutual influence. In this principle and complete circuit board of welding, the simulation.

关键词汇：电火花加工电极补偿脉冲放电脉冲参数脉冲电源要求

加工精度频率占空比自激多谢振荡器时间常数放电回路方波发生器可调

目录

第1章电火花加工技术基础 (3)

1.1 电火花加工的概述与基本原理 (3)

1.2 电火花加工的技术要求 (5)

第2章脉冲电路 (13)

2.1 555定时器 (13)

2.2 555构成的多谐振荡器 (15)

第 3 章555构成的占空比和频率可调电路 (23)

3.1 占空比可变多谐振荡器 (23)

3.2 电火花脉冲控制电路 (24)

参考文献 (26)

谢辞 (27)

附录 (28)

第1章电火花加工技术基础

1.1电火花加工的概述与基本原理

1.1.1 概述

电火花加工又称放电加工，简称EDM，从20世纪40年代开始研究并逐步应用于生产。

电火花加工是指在一定的加工介质中，通过两电极(工具电极和工件电极)之间的火花放电和短电弧放电的电蚀作用，对材料进行尺寸加工的方法称为放电加工。

1943年，苏联学者拉扎连科夫妇研究发明电火花加工，之后随着脉冲电源和控制系统的改进，而迅速发展起来。最初使用的脉冲电源是简单的电阻-电容回路。50年代初，改进为电阻-电感-电容等回路。同时，还采用脉冲发电机之类的所谓长脉冲电源，使蚀除效率提高，工具电极相对损耗降低。

随后又出现了大功率电子管、闸流管等高频脉冲电源，使在同样表面粗糙度条件下的生产率得以提高。60年代中期，出现了晶体管和可控硅脉冲电源，提高了能源利用效率和降低了工具电极损耗，并扩大了粗精加工的可调范围。到70年代，出现了高低压复合脉冲、多回路脉冲、等幅脉冲和可调波形脉冲等电源，在加工表面粗糙度、加工精度和降低工具电极损耗等方面又有了新的进展。

在控制系统方面，从最初简单地保持放电间隙，控制工具电极的进退，逐步发展到利用微型计算机，对电参数和非电参数等各种因素进行适时控制。

进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。

在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。

紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。

在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。因此，只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工出各种复杂的型面。

工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料，如铜、石墨、铜钨合金和钼等。在加工过程中，工具电极也有损耗，但小于工件金属的蚀除量，甚至接近于无损耗。工作液作为放电介质，在加工过程中还起着冷却、排屑等作用。常用的工作液是粘度较低、闪点较高、性能稳定的介质，如煤油、去离子水和乳化液等。

电火花加工技术在20世纪50年代传入我国，电火花加工技术是现代生产制造技术中的一个重要组成部分，在计算机技术飞速发展的推动下，电火花加工技术也在不断发展，并广泛地应用在航空、航天、航海、汽车、仪器仪表、电子工程、电力工程、机械制造、建筑工程、地质勘探工程及计算机等行业，已成为现代制造业不可缺少的关键技术。在我国电火花加工技术是随着现代科学技术进步而逐步发展起来的。

1.1.2 基本原理

电火花加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件电极，两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质（常用煤油或矿物油或去离子水）中。工具电极由自动进给调节装置控制，以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙（0.01～0.05mm）。当脉冲电压加到两极之间，便将当时条件下极间最近点的液体介质击穿，形成放电通道。由于通道的截面积很小，放电时间极短，致使能量高度集中（10～107W／mm），放电区域产生的瞬时高温足以使材料熔化甚至蒸发，以致形成一个小凹坑。第一次脉冲放电结束之后，经过很短的间隔时间，第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电。如此周而复始高频率地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的形状最终就复制在工件上，形成所需要的加工表面。与此同时，总能量的一小部分也释放到工具电极上，从而造成工具损耗。

从上看出，进行电火花加工必须具备三个条件：必须采用脉冲电源；必须采用自动进给调节装置，以保持工具电极与工件电极间微小的放电间隙；火花放电必须在具有一定绝缘强度（10～107Ω·m）的液体介质中进行。

1.2电火花加工的机理及工艺要求

1.2.1电火花加工特点

电火花加工具有很多优点，但又有一定的局限性，现将其主要特点简介如下。

（1）适合于难切割导电材料的加工，由于脉冲放电的能量高度集中，放电区域产生的高温足以熔化、气化任何导电材料，所以能加工各种金属材料，如果具备一定的条件还可以加工半导体和非半导体材料；

（2）可以加工特殊复杂的零件，由于放电加工过程中工具电极与工件不直接接触，两者宏观作用力很小，没机械加工的切屑力。因此，可以加工低刚度工件及微细加工。由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，所以特别适用于复杂表面形状的加工；

（3）脉冲参数可依据需要调节，可在同一台机床上进行粗加工、半精加工和精加工；

（4）电火花加工后的表面呈现的凹坑，有利于贮油和降低噪声；

（5）易于实现加工过程的自动化，由于是直接利用电能进行加工，而电能、电参数较机械量易于实现数字控制、自适应控制、无人操作等；

（6）可以改进结构设计，由于点加工的特殊性，可以将产品结构进行改进，采用电火花加工后可以将镶拼、焊接结构改为整体结构，既提高了工作可靠性，又减少了体积和质量；

（7）生产效率低于切削加工；放电过程有部分能量消耗在工具电极上，导致电极损耗，影响成形精度；

（8）存在电极损耗，由于电火花加工靠电、热来蚀除金属，电极也会受到损耗，而且电极损耗集中在尖角或底面，往往影响成形精度；

（9）最小角部半径有限制，一般情况下，电火花加工能得到的最小角部半径等于加工间隙（通常为0.02～0.3mm）；①

1.2.2 电火花加工分类及常用术语

按照工具电极的形式及其与工件之间相对运动的特征，可将电火花加工方式

分为五类：

利用成型工具电极，相对工件作简单进给运动的电火花成形加工；

利用轴向移动的金属丝作工具电极，工件按所需形状和尺寸作轨迹运动，以切割导电材料的电火花线切割加工；

利用金属丝或成形导电磨轮作工具电极，进行小孔磨削或成形磨削的电火花磨削；

用于加工螺纹环规、螺纹塞规、齿轮等的电火花共轭回转加工；

小孔加工、刻印、表面合金化、表面强化等其他种类的加工。

电火花加工常用名词、术语及符号

（1）工具电极点火花加工的工具，因其实火花放电时电极之一，故称工具电极，简称工具或电极。

（2）放电间隙指加工时工具和工件之间产生火花放电的一层距离间隙。（3）脉冲电源他给放电间隙提供一定能量的电脉冲，是电火花加工时的能量来源，常简称电源。

（4）工作液介质电火花加工时，工具电极和工件间的放电间隙必须浸在有一定绝缘性能的液体介质中，此液体介质即称为工作液介质或简称工作液。

（5）电蚀产物是指电火花加工过程中被电火花蚀除下来的产物。狭义而言，指工具电极和工件表面被蚀除下来的金属微粒小屑和煤油等工作液在高温下分解出来的炭黑，也称加工屑。

（6）点规准、电参数主要指电火花加工时选用的电加工用量、电加工参数，有脉冲宽度ti，放电时间te、脉冲间隔to、峰值电压Ui、峰值电流Ie等脉冲参数，这些脉冲参数在每次加工时必须事先选定。

（7）脉冲宽度ti它是加到工具和工件上放电间隙两端的电压脉冲的持续时间，简称脉宽。

（8）脉冲间隔to它是两个电压脉冲之间的间隔时间（见图1-5）简称脉间或间隔，也会死脉冲停歇时间。

（9）放电时间te它是工作液介质击穿后放电间隙中流过放电电流的时间，即电流脉宽，它比电压脉宽稍小，差一击穿延时td。

（10）击穿延时td从间隙两端加上脉冲电压后，一般均要经过一小段延续时间td，工作液介质才能概率性地被击穿放电，此时间称为击穿延时。

（11）脉冲周期tp指一个电压脉冲开始到下一个脉冲开始之间的时间。（12）脉冲频率fp指单位时间内电源发出的脉冲个数。

（13）火花维持电压是指每次火花击穿后，在放电间隙上火花放电时的维持电压，一般在25V左右。

（14）电火花加工精度是指工件在电火花加工之后的几何参数（包括尺寸精度、几何形状精度、相对位置精度等）与按工件设计、技术要求绘制的图样的几何参数相符合的程度。

1.2.3电火花加工技术要求

（1）放电间隙必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙。这一间隙随加工条件而定，一般约为几微米只几百微米之间，如果间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，就不会产生火花放电。如果间隙过小，就很容易形成短路接触，同样也不能产生火花放电。所以在电火花加工过程中必须具有工具电极的自动进给和调节装置。

（2）脉冲放电火花放电必须是瞬时的脉冲放电。放电延续一段时间后，需停歇一段时间，放电延续时间一般为1～1000us。这样才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，把每一次的放电蚀除点分别局限在很小的范围内；否则，会像持续电弧放电那样，使表面烧伤而无法用作尺寸加工。因此，接在工具电极和工件电极间电火花加工用的电源必须采用脉冲电源。

（3）电火花加工速度与表面质量在电火花加工一般会采用粗、中、精分档加工方式。粗加工采用大功率、低损耗的实现，而中、精加工电极相对损耗大，但一般情况下中、精加工余量较少，因此电极损耗也极小，可以通过加工尺寸控制进行补偿，或在不影响精度要求时予以忽略。

（4）电火花碳渣与排渣电火花机加工在产生碳渣和排除碳渣平衡的条件下才能顺利进行。实际中往往以牺牲加工速度去排除碳渣，例如在中、精加工时采用高电压，大休止脉波等等。另一个影响排除碳渣的原因是加工面形状复杂，使排屑路径不畅通。唯有积极开创良好排除的条件，对症的采取一些方法来积极处理。

（5）电火花工件与电极相互损耗电火花机放电脉波时间长，有利于降低电极损耗。电火花机粗加工一般采用长放电脉波和大电流放电，加工速度快电极损耗小。在精加工时，小电流放电必须减小放电脉波时间，这样不仅加大了电极损耗，也大幅度降低了加工速度。

值得注意的是电火花加工并不等同金属切削加工，由于放电间隙和电极损耗的存在，会对型腔尺寸精度产生影响，因此需要注意以下方面。

①加工余量。该参量的最小值要求大于放电间隙，超精加工时加工余量并不为零，且前一道工序要给后一道工序留下余量。

②加工方式。在轮廓加工或挖槽加工时可以选择生成圆弧段程序。而在沿曲面加工时必须选择直线加工方式，包括切入切出程序，即程序段必须是空间微直线段，这也有利于电极损耗补偿计算。

③加工精度。加工精度越高，弦线对空间曲线的逼近度越高，空间微直线段越多，程序越长。实际加工时，粗加工可以选择低一点的精度，以减少程序段数。

④残余波峰高。该参量指刀具横向进给量，其值越小，加工曲面越光顺。该参量也可以用刀具直径的百分比表示。

⑤电极尺寸。本文要求每次加工编程时输入电极直径的实测值，这样可让电极损耗补偿计算只须放在Z轴方向。

⑥电参量和电极长度补偿。电参量的选择要参考加工余量，超精加工时要选择正极性加工方式，要用电子的能量去修平放电痕凸起。电极损耗补偿值依工艺经验而定，它与电参量、电极材料对及工作液等相关。电极损耗补偿值均匀插入每个微直线段端点上。

按上述6个方面要求设置参量，就可生成粗、中、精加工路径及机床数控指令。

（6）电参数是如何影响放电腐蚀量的？

电参数主要是指脉冲宽度、脉冲间隔、放电频率、峰值电流、峰值电压、加工极性等。

在电火花加工过程中，无论正极或负极，都存在单个脉冲的蚀除量q与单个脉冲能量Wm在一定范围内城正比关系。某一段时间内的总蚀除量q约等于这段时间内各单个有效脉冲蚀除量的总和，故正负极的蚀除速度与单个脉冲能量、脉冲频率成正比。

单个脉冲放电所释放的能量取决于极间放电电压、放电电流和放电持续时间，所以单个脉冲放电能量为间隙电压和电流在时间上的积分

?=te dt t i t u

Wm

)()(

式中te---单个脉冲实际放电时间，s;

)(t

u—放电间隙中随时间而变化的电压，V;

(t i---放电间隙中随时间而变化的电流，A；

)

Wm---单个脉冲放电能量，J。

（7）脉冲能量怎样影响加工速度？

增加单个脉冲能量主要靠加大脉冲电流和增加脉冲宽度。提高脉冲频率可缩小脉冲间隔时间。

①脉冲宽度对加工速度的影响从电火花加工来看，影响加工速度的重要因

素是单个脉冲能量的大小，对于一定的峰值电流来说，脉冲能量应与脉冲宽度成正比，表面上看，似乎脉冲宽度越大，加工速度越快；但实际上脉冲宽度不是决定加工速度的唯一因素，还与脉冲间隔、峰值间流、峰值电压等有直接关系。所以说脉冲宽度越大，加工速度也不一定就快。

②脉冲间隔对加工速度的影响提高脉冲频率可缩小脉冲间隔时间，但脉冲

间隔时间过短，会使加工去工作液来不及消电离、排除电蚀产物及气泡来恢复其介电性能，以至形成破坏性的稳定电弧放电，使电火花加工过程不能正常进行。

③峰值电流对加工速度的影响在电火花加工过程中，当脉冲宽度和脉冲间

隔确定后，随着峰值电流的增加，加工速度也增加。因为加大峰值电流等于加大脉冲能量，所以加工速度提高了，但需要指出的是，峰值电流不能超过加工面积允许承受的最大加工电流。

（8）放点间隙对加工精度的影响

电火花加工时，工具电极与工件之间存在着一定的放点间隙，如果加工过程中放电见习保持不变，则可以通过修正工具电极的尺寸对放点间隙进行补偿，以获得较高的加工精度。

①脉冲宽度对放电间隙的影响脉冲宽度越宽，脉冲能量越大，放点间隙越大。当峰值电流一定时，随着脉冲宽度的增加，放点间隙加大，加大到一定程度后趋于最大值。

②峰值电流对放电间隙的影响在脉冲宽度一定的条件下，随着电流峰值的增加，放电间隙加大。

③峰值电压对放电间隙的影响在脉宽一定的条件下，峰值电压对放电间隙有明显的影响。峰值电压升高，放点间隙增大；峰值电压降低，则放电间隙减小。这是因为峰值电压的提高，使工具电极与工件间的起始放电电压变高，能在较大间隙距离是击穿放电。同时峰值电压的提高，使峰值电流增大，单个脉冲能量增大，因此造成放电间隙增大。②

（9）电极损耗的影响

①在数控电火花铣削加工过程中，放电一般发生在电极端部前沿尖角处，电流密度较大，放电集中度高，存在着较严重的电极损耗现象。在加工的开始阶段，工件材料去除量较大；在加工的末尾阶段，工件材料去除量最小，因此实际加工面是一个“斜坡面”，在A表面与B表面之间是本道工序的未加工区。显而易见，电极损耗影响加工精度。

电极补偿过量面C

无电极损耗理想加工面B

没有补偿的加工面A

h1当前层厚度

h2下一层厚度

②电极损耗补偿的目的

一方面可控制每一层铣削加工的尺寸及形状精度，另一方面还可给下一层铣削加工减少加工余量累计负担。电极损耗补偿值的给定应按不过度补偿为原则，即其值应小于本层加工量与下一层加工余量之和。

③电极损耗补偿计算的方法

沿曲面铣削加工时按直线方式生成加工路径，所有程序段都是空间微直线段，假设在加工路径相对较长的条件下，电极损耗沿路程均匀分布，其补偿值沿轨迹，按路程均匀递增补偿到每段空间直线终点上，那么电极损耗补偿值在第i程序段的值为：

△i=(△/∑Lk)·(∑j=0→iLj)

式中：△i为第i程序段的电极损耗补偿值；△为当前层铣削加工电极损耗预估值；∑Lk为当前层总的加工路径长；∑j=0→iLj为电极在第i程序段已走过的加工路径长。

△值与电参数和加工路径长度有关，主要用于电火花中、精加工；超精加工时其值设为零。

△i值用于第i程序段的电极损耗Z轴方向的补偿值，是用离线补偿计算法得到的。

粗加工时电极补偿视具体情况而定，首先选择补偿方式加工，补偿取值一般小于加工余量，如果电极损耗较大，电极端面圆角过大，此时应更换电极，Z轴重新对零位后，再进行加工。超精加工时只需生成正、反向加工刀具路径，来回打光打抛曲面。实验中还加入了轮廓加工、残余加工、修边，并考虑了加工精度设置、最大微直线段长度设置等内容。

粗加工用ф14mm电极，按挖槽采用分层加工，横向进刀为电极直径的80％；

中、精加工用ф8mm和ф4mm的端电极，按矢量、沿曲面方式加工，横向进刀分别为电极直径的8％和2.5％。

精加工之后还需要再用ф4mm指状R刀电极进行最后的光整和去残留加工。

另外，在同一加工余量条件下，工艺上还要求生成反向刀具路径，进行反向铣削加工，消除前一道工序正向加工时因电极损耗而产生的阶梯波浪面，以提高表面形状精度。

电极制作部分是一个比较重要的环节，故自制了机上修磨装置，依据铣床刀具工具磨原理，设计有“电碰”定位基准，可精确定位，可修整电极圆柱面，也可修整电极端部球面。但由于铜电极在机械力作用下容易变形让刀，因此只成功修整了φ5～8mm指状棒电极。③

1.2.4 电火花加工的应用

电火花加工主要用于模具生产中的型孔、型腔加工，已成为模具制造业的主导加工方法，推动了模具行业的技术进步。电火花加工零件的数量在3000件以下时，比模具冲压零件在经济上更加合理。按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途不同，电火花加工可大体分为：电火花成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削加工、电火花展成加工、非金属电火花加工和电火花表面强化等。

（1）电火花成形加工该方法是通过工具电极相对于工件作进给运动，将工件电极的形状和尺寸复制在工件上，从而加工出所需要的零件。它包括电火花型腔加工和穿孔加工两种。电火花型腔加工主要用于加工各类热锻模、压铸模、挤压模、塑料模和胶木膜的型腔。电火花穿孔加工主要用于型孔（圆孔、方孔、多边形孔、异形孔）、曲线孔（弯孔、螺旋孔）、小孔和微孔的加工。近年来，为了解决小孔加工中电极截面小、易变形、孔的深径比大、排屑困难等问题，在电火花穿孔加工中发展了高速小孔加工，取得良好的社会经济效益。

（2）电火花线切割加工该方法是利用移动的细金属丝作工具电极，按预定的轨迹进行脉冲放电切割。按金属丝电极移动的速度大小分为高速走丝和低速走丝线切割。我国普通采用高速走丝线切割，近年来正在发展低速走丝线切割，高速走丝时，金属丝电极是直径为φ0.02～φ0.3mm的高强度钼丝，往复运动速度为8～10m／s。低速走丝时，多采用铜丝，线电极以小于0.2m/s的速度作单方向低速运动。线切割时，电极丝不断移动，其损耗很小，因而加工精度较高。其平均加工精度可达 0.0lmm，大大高于电火花成形加工。表面粗糙度Ra值可达1.6 或更小。

国内外数控电火花线切割机床都采用了不同水平的微机数控系统，实现了电火花线切割数控化。目前电火花线切割广泛用于加工各种冲裁模（冲孔和落料用）、样板以及各种形状复杂型孔、型面和窄缝等。

第2章脉冲电路

2.1 555定时器

2.1.1脉冲电源的作用

电火花加工用的脉冲电源的作用是把工频交流电转换成一定频率的单向脉冲电流，以供给电极放电间隙蚀除金属所需要的能量。脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、加工过程的稳定性和工具电极损耗等技术经济指标有很大的影响。

2.1.2对脉冲电源的要求

对电火花加工用脉冲电源的具体要求如下：

（1）脉冲应该是单向的，没有负半波或负半波很小，这样才能最大限度地利用极性效应，提高生产率和减少工具电极的损耗。

（2）脉冲电压波形的前后沿应该较陡，这样才能减少电极间隙的变化及工作液污染程度等对脉冲放电宽度和能量等参数的影响，使工艺过

程较稳定。

（3）脉冲电源的主要参数，如峰值电流Ie、脉冲宽度ti、脉冲间隔to等应能在很宽的范围内调节，以满足粗、中、精加工的要求。而且要

适应不同工件材料的加工，以及采用不同工具电极材料进行加工的

要求。

（4）要求工具电极损耗低，粗加工时应能实现电极低损耗，中、精加工时也要使电极损耗尽可能的低。其加工时表面粗糙度应小于

1.25um。

2.1.3 脉冲的产生与整形

在数字系统中，经常需要各种宽度、幅度且边沿陡峭的脉冲，如时钟信号、定时信号等，因此必须考虑脉冲信号的产生与变换问题。获取矩形脉冲的方法通常有两种：一种是用脉冲产生电路直接产生；一种是对已有的信号进行整形，然后将它变换成所需要的脉冲信号。

脉冲电路是指产生脉冲信号和对其进行变换的电路。脉冲信号是指在短暂时间内出现的电压或电流信号，但在广义上，非正弦波均称为脉冲波。但在本设计

中使用的为矩形脉冲波如图（a）。

脉冲产生电路能够直接产生矩形脉冲或者方波。如在同步时序电路中，作为时钟信号的矩形脉冲控制和协调着整个系统的工作，因此，时钟脉冲的直接关系到系统能否正常工作。为了定量描述矩形脉冲的特性通常给出几个主要参数，用矩形波说明脉冲波形的参数如图（b）。

T

（a）矩形波

（b）矩形脉冲参数

①脉冲幅度Um

脉冲电压的最大值与最小值之差。

②上升时间tr

脉冲从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。

③下降时间tf

脉冲从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。

④脉冲周期T

周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉之间的时间。

⑤脉冲宽度tw

从前沿的0.5Um到后沿的0.5Um所需的时间。

⑥占空比q

脉冲宽度以脉冲周期的比值。

2.2 555集成定时器的工作原理与结构

2.2.1脉冲的基本知识

定时器也称555定时器或实际电路，因为它可以作为定时器件用。555定时器是一种兼容模拟和数字电路于同一硅片的中规模集成电路，电路包括二十多个晶体管和两个二极管。它原先是为了取代传统的机械定时器件而研制出来的精密定时器，最先由美国Signetics公司介绍出来，并首先投放市场，由于其性能优越、功能灵活，只用二三个外接阻容元件便可以构成很多种数字和模拟电路，如可以构成各种不同用途的脉冲电路,如多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等。555定时电路有TTL集成定时电路和CMOS集成定时电路,它们的逻辑功能与外引线排列都完全相同。因此几乎世界上所有主要的电子器件公司和厂家争相仿制，生产率各自的555定时器产品。70年代初出现的555定时器为双极型产品，随着CMOS技术的发展，到70年代后期研制成功了单极型产品。虽然产品型号繁多，几乎所有产品型号的最后3个数字都是555，有说之所以如此是由于此种集成电路内部都有一串用5K 电阻构成的分压器缘故。

2.2.2 555电路的组成结构和工作原理

①电路组成及其引脚

555集成定时器内部电路图 555外部管脚图

Vco 是控制电压端（5脚），平时输出Vcc 32作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控

制，在不接外加电压时，通常接一个0.01F 的电容器到地，起滤波作用，以消

除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T 为放电管，当T 导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

②555的工作原理

在555定时器中3个5K 电阻构成了分压器；C1、C2是2个高精度的电压比较

器，分别称为上比较器和下比较器，C1的参靠电压为2/3Vcc ，称为上参考电压

或高触发电平，C2的参考电压为1/3Vcc ，称为下参考电压或低触发电平；SRFF

是高电平有效的触发器；T 是放电三极管。它含有两个电压比较器，一个基本

RS 触发器，一个放电开关T ， C1和C2的输出端控制RS 触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过Vcc 3

2时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于Vcc 3

1时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。D R 是复位端，当其

为0时，555输出低电平。平时该端开路或接Vcc 。

③各引脚的功能：

1、接地端。

2、低触发输入端，又称触发输入端。当该端电平低于低触发电平1/3Vcc

时，引起的触发使输出为高电平。

3、输出端Q 。

4、直接置”0”端RD 。

5、电压控制端IC U 。当该段外接参考电压时，可以改变上、下比较器的

参考电压，从而改变高低触发电平，使用时通常在此端和地之间跨接

0.01uF 的去耦电容，以消除干扰，保证比较器参考电压的稳定。

6、高触发输入端，又称阀值输入端。当该端电平高于高触发电平2/3Vcc

时，引起的触发使输出为低电平。

7、放电端。由放电管T 控制该端对地市导通或截止，该端也可以称为集

电极开路输出端，如在此端通过外接电阻与另一电源Vcc 相接，则由

该端输出的信号uo 可实现输出电平的转换。

8、电源Vcc。555定时器可在比较宽的电源电压下工作，并能承受较大

的负载电流。对于双极型555定时器，其Vcc可在5～16V之间选用，

最大负载电流可达200mA.对于CMOS7555定时器，其电源电压的范

围为3～8V，最大负载电流小于4mA。

④功能分析

555定时器功能表

当RD=0时，输出Q=0；放电管导通；当RD=1时，电路有三种工作状态：

1、u2<1/3Vcc, S=1; u6<2/3Vcc, R=0: Q=1，放电端对地截止。

2、u2>1/3Vcc, S=0; u6<2/3Vcc, R=0: Q和放电端的状态都不变。

3、u2>1/3Vcc, S=0; u6>2/3Vcc, R=1: Q=0,放电端对地导通。

如果u2<1/3Vcc, u6>2/3Vcc,这时SR=11，这是不允许的。

⑤双极型和CMOS型555定时器

555定时器的电源电压范围较大，双极型电路Vcc=4.5～16V，输出高电平不低于电源电压的90%，带拉电流和灌电流负载的能力可达200mA，CMOS电路VDD=3～18V ，输出高电平不低于电源电压的95%，带拉电流负载的能力为1mA，和灌电流负载的能力为3.2mA。

一般说来，在要求定时长，功耗小，负载轻的场合，宜选用CMOS型555，而在负载重，要求驱动电流大，电压高的场合，宜选用TTL型555。④

⑥555定时器的应用

1、555定时器可以用来构成各种脉冲单元电路，如多谐振荡器，施密特触

发器，单稳态触发器，锯齿波发生器等，而且其输出电流较大，可以直接驱动一

些较大功率的继电器和微电机等，因而在定时、检测、控制、报警、家电等各方

面有广泛应用，在本次设计中涉及使用555为多谐振荡器，在之前的考虑中打算

用两片555来分别改变占空比和频率，但由于单稳态电路要求输入脉冲宽度小于

输出脉冲宽度，故必须将第一片构成的多谐振荡器输出的脉冲变窄以后在输入第

二片，虽然能够用电阻和电容组成的微分电路来实现，但在软件仿真时未能出现

在电火花加工脉冲要求条件的波形，鉴于能力所限所以选择了用一片555，使用

接不同的电容来达到改变频率的目的。本次设计是基于多谐振荡器的基础上修改

的。

2、用555电路构成施密特触发器

施密特触发器是数字系统中常用的电路之一,它可以把变化缓慢的脉冲波形

变换成为数字电路所需要的矩形脉冲。

施密特电路的特点在于它也有两个稳定状态,但与一般触发器的区别在于这

两个稳定状态的转换需要外加触发信号,而且稳定状态的维持也要依赖于外加触

发信号,因此它的触发方式是电平触发。 施密特触发器电路中，其回差电压为Vcc 3

1。若在电压控制端⑤外接可调电压Vco （1.5～5V ），可以改变回差电压T V ?,施密特触发器可方便的地把三角波

转换成方波。 当输入信号Vcc Ui 3

1<时,基本RS 触发器置1,即Q =0,Q=1，输出O U 为高电平;若Ui 增加,使得Vcc Ui Vcc 3

231<<时,电路维持原态不变,输出O U 仍为高电平;如果输入信号增加到Vcc Ui 3

2≥时,RS 触发器置0,即Q=0,Q =1,输出O U 为低电平;Ui 再增加,只要满足Vcc Ui 3

2≥,电路维持该状态不变。若Ui 下降，只要满足Vcc Ui Vcc 3231<<,电路状态仍然维持不变;只有当Vcc Ui 3

1=时,触发器再次置1,电路又翻转回输出为高电平的状态。⑤

3、单稳态电路

单稳态电路中，电路有一个稳态和一个暂稳态；在外加脉冲触发电路由稳

态翻转为暂稳态；暂稳态维持一定时间以后，电路有自动返回稳态。暂稳态时间

的长短决定于电路本身的参数而和触发信号无关。

由555构成的单稳态电路如下图：

R 和C 为定时元件，触发信号u1加在低触发输入端（2端），信号从Q 端（3

端）输出， 工作波形如b 图，必须注意触发信号的高电平应大于1/3Vcc ，触

发脉冲式负的窄脉冲。单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。由于电

路中RC 延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态，并在输出

端获得一个脉冲宽度为tw 的矩形波。在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw ，

就是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路的参数值。

稳态时，输出uo 为低电平，即无触发器信号（ui 为高电平）时，电路处于

稳定状态——输出低电平。在 ui 负脉冲作用下，低电平触发端得到低于（1/3）

Vcc ，触发信号，输出uo 为高电平，放电管VT 截止，电 路进入暂稳态，定时开

始。

在暂稳态期间，电源＋Vcc →R →C →地，对电容充电，充电时间常数T ＝RC ，

uc 按指数规律上升。当电容 两端电压uc 上升到（2/3）Vcc 后，6端为高电平，

输出uo 变为低电平，放电管VT 导通，定时电容C 充电结束 ，即暂稳态结束。

电路恢复到稳态uo 为低电平的状态。当第二个触发脉冲到来时，又重复上述过

程。工作 波形图如图1（b ）

可见输入一个负脉冲就可以得到一个宽度一定的正脉冲输出,其脉冲宽度tw

取决于电容器由0充电到 （2/3）Vcc ，所需要的时间。

可得RC t w 1.1

这种电路产生的脉冲宽度莎w 与定时元件R ，C 大小有关，通常R 的取值为

几百欧至几兆欧，电容取值为几百皮法到几百微法。

2.2.3 555自激多谢振荡器

自激多谢振荡器是一种无需外加激励信号，只要接通电源就可以输出矩形波

的电路，之所以称为“多谐”是因为矩形波中含有丰富的谐波。

多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外

还含有丰富的高次谐波，故 称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个