通過環(huán)形振蕩器、555 定時器和 Arduino 進行數(shù)字方波發(fā)生器設(shè)計

了解使用環(huán)形振蕩器、基于 555 定時器的振蕩器和 Arduino 生成的方波振蕩器的數(shù)字方波發(fā)生器。

之前，我們介紹了 設(shè)計方波振蕩器即 運算放大器（運算放大器） 和基于晶體管的模擬實現(xiàn) 非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。在本文中，我們將研究實現(xiàn) 方波

振蕩器，同時討論其優(yōu)點和局限性。

在深入研究之前，讓我們注意，我們將分析三個示例：

環(huán)形振蕩器

基于 555 定時器的振蕩器

用于產(chǎn)生方波振蕩器的 Arduino

使用環(huán)形振蕩器的方波發(fā)生器

環(huán)形振蕩器具有相當(dāng)簡單的架構(gòu)，它利用一串 逆 變 器 最終輸出饋入第一個輸入，形成一個環(huán)，如圖1所示。

圖1. 通用環(huán)形振蕩器架構(gòu)

不僅架構(gòu)簡單，而且該電路的操作也很簡單。啟動時，讓我們假設(shè) INV1 從邏輯 0 轉(zhuǎn)到邏輯 1。隨著該逆變器的輸出開始上升，一旦INV的跳變點2

命中，該輸出將開始減少到邏輯

0。這種連鎖反應(yīng)一直持續(xù)到最終逆變器INVN，然后該輸出反饋到起點以維持反應(yīng)?？傮w而言，該反應(yīng)會產(chǎn)生恒定的振蕩，并且假設(shè)所有逆變器具有相同的上升/下降時間，將產(chǎn)生方波輸出。

為了使電路按所述工作，環(huán)中的逆變器數(shù)量（在圖1中用N表示）必須是奇數(shù)。這個要求是必要的，因為正如我們在圖1中看到的，任何逆變器的輸出，INVX，其中

X 是偶數(shù)，將具有補充 INV 輸出的輸出1.如果此值反饋給

INV1，不會有任何變化，因此也不會振蕩。雖然在這個簡單的例子中，我們只使用逆變器，但您可以使用任何 邏輯門

在整個電路中。但是，在這個環(huán)形示例中，必須有奇數(shù)個反相級才能振蕩。

現(xiàn)在，您可能會問的一個問題是：電路的哪些方面決定了工作頻率？基本上，每個逆變器的固有延遲（td），階段數(shù) （N） 根據(jù)等式確定：

f=12tdNf=12tdN

由于 td 通常很小，并且希望最小化N，頻率通常很高，大約為數(shù)百

MHz甚至GHz。對于低速應(yīng)用或精確的頻率控制，用戶通常必須為每個逆變器的輸出增加一個負(fù)載，最簡單地通過 遙控電路，如圖2所示。

圖2. 帶RC負(fù)載的環(huán)形振蕩器

展望未來，假設(shè)所有逆變器都以 VDD2VDD2 跳閘，其中 VDD 是供應(yīng) 電壓，振蕩頻率變?yōu)椋?/p>

f=12（td+0.69RC）Nf=12（td+0.69RC）N

接下來，假設(shè) RC 》d，我們可以說振蕩頻率完全取決于RC時間常數(shù)和級數(shù)。

至于優(yōu)點，這種設(shè)計的簡單性使其對高速振蕩器設(shè)計具有吸引力;但是，對于較低的頻率，很難控制這些頻率。另一個缺點是，由于開關(guān)速率高，這種架構(gòu)通常很耗電。

使用 555 定時器作為方波發(fā)生器

接下來，我們將討論使用 555定時器。該通用IC用于：

各種脈沖產(chǎn)生

延遲

定時

振蕩器應(yīng)用

幾家公司創(chuàng)建的 555 計時器種類繁多，但我們將專注于 LM555 來自德州儀器。 數(shù)據(jù)表 第 7.4.2 節(jié)

說明了計時器的不穩(wěn)定操作，正如我們從上一篇文章中知道的那樣，這是我們感興趣的。實現(xiàn)原理圖如圖3所示。

圖3. LM555 定時器設(shè)置，用于不穩(wěn)定操作模式。圖片由 德州儀器

在這里， 電容器，C，由 電阻， R一個 和 RB.一旦它到達上跳變點（在計時器的情況下，V 的 2/3抄送），C 然后放電至 V 的 1/3抄送

通過 RB.此時，電容器再次開始充電，并且這種行為無限期地持續(xù)下去。由此，我們可以通過以下等式獲得充電和放電時間以及振蕩周期：

trise=0.69（RA+RB）Ctrise=0.69（RA+RB）C

tfall=0.69RBCtfall=0.69RBC

T=trise+tfallT=trise+tfall

f=1T=1.44（RA+2RB）Cf=1T=1.44（RA+2RB）C

在這里，我們可以看到，我們不僅可以控制振蕩頻率，還可以控制 輸出占空比。但是，這些不能短于 t秋天，這意味著占空比必須大于 50%，但如果 RB

》·一個。

這種實現(xiàn)的優(yōu)點是簡單，需要最少的硬件，也是低速振蕩器的穩(wěn)定可靠的解決方案。至于限制，此設(shè)計不適用于需要小于50%的占空比或需要高速的情況。

基于 Arduino 的方波發(fā)生器，使用 Arduino UNO R3

最后，我們將討論通過 Arduino 實現(xiàn)振蕩器。對于我們的示例，我們將查看 Arduino UNO R3.該板的引腳排列如圖4所示。

圖4. Arduino UNO R3 引腳排列。圖片由 阿杜伊諾 ［點擊圖片放大］

對于我們的生成器，我們將使用 Arduino UNO 的數(shù)字 I/O

引腳，具體來說，D7。實現(xiàn)此解決方案不需要外部硬件，因為這都可以通過如下所示的Arduino程序定義：

整數(shù)頻率 = 100; 以 Hz 為單位設(shè)置用戶定義的頻率值

int per_ms = 1e3*（1/頻率）;將一種狀態(tài)（高或低）的時間設(shè)置為 T/2（以毫秒為單位）

int dutyCyc = 0.5;設(shè)置輸出波形的占空比

void setup（） {

引腳模式（7，輸出）;將 D7 設(shè)置為數(shù)字輸出

}

振蕩環(huán)

void loop（） {

數(shù)字寫入（7，高）;將 D7 設(shè)置為邏輯 1

延遲（Cyc*per_ms）;在邏輯 1 處保留 T/2

數(shù)字寫入（7，低）;將 D7 設(shè)置為邏輯 0

延遲（（1-Cyc）*per_ms）;在邏輯 0 處保留 T/2

}

在上面的代碼片段中，我們聲明了三個全局變量，允許用戶設(shè)置頻率和占空比。在本例中，我們可以創(chuàng)建一個占空比為 50% 的 100 Hz

輸出，從而產(chǎn)生方波。從那里，我們可以使用“pinMode”功能在空隙設(shè)置塊中初始化我們的數(shù)字輸出引腳。接下來，我們可以進入一個連續(xù)循環(huán)，將D7設(shè)置為HIGH，并將輸出保持在該值，時間等于占空比乘以周期。最后，我們可以將輸出調(diào)至邏輯低電平，并在剩余的周期內(nèi)將信號留在那里。因此，一旦Arduino打開，此循環(huán)將無限期地繼續(xù)。

如您所見，該軟件實現(xiàn)允許高度靈活性，無需外部硬件。雖然這相當(dāng)簡單，但我們僅限于 Arduino

的帶寬，除非我們在需要高速振蕩器時使用外部振蕩器來推動更高的頻率。