基于環(huán)形振蕩器、555定時(shí)器和Arduino的數字方波發(fā)生器設計

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

之前，我們介紹了設計方波振蕩器的概念，即運算放大器（op-amp）和基于晶體管的非穩態(tài)多諧振蕩器的模擬實(shí)現。在本文中，我們將研究實(shí)現方波振蕩器的數字方法，同時(shí)討論其優(yōu)點(diǎn)和局限性。

在深入探討之前，讓我們注意一下我們將分析三個(gè)例子：

環(huán)形振蕩器

基于555定時(shí)器的振蕩器

Arduino產(chǎn)生方波振蕩器

使用環(huán)形振蕩器的方波發(fā)生器

環(huán)形振蕩器具有相當簡(jiǎn)單的架構，它利用一串反相器，最終輸出饋入第一個(gè)輸入，形成一個(gè)環(huán)，如圖1所示。

通用環(huán)形振蕩器架構

圖1。通用環(huán)形振蕩器架構

不僅架構簡(jiǎn)單，電路的操作也很簡(jiǎn)單。啟動(dòng)時(shí)，假設INV1從邏輯0變?yōu)檫壿?。隨著(zhù)該逆變器的輸出開(kāi)始上升，一旦達到INV2的觸發(fā)點(diǎn)，該輸出將開(kāi)始降至邏輯0。這種連鎖反應持續到最終的逆變器INVN，然后輸出反饋到開(kāi)始以維持反應?？偟膩?lái)說(shuō)，這種反應會(huì )產(chǎn)生持續的振蕩，假設所有逆變器的上升/下降時(shí)間相同，將產(chǎn)生方波輸出。

為了使電路按所述運行，環(huán)中的逆變器數量（圖1中用N表示）必須是奇數。這一要求是必要的，因為如圖1所示，任何反相器INVX的輸出（其中X是偶數）都將具有與INV1的輸出互補的輸出。如果將該值反饋到INV1，則不會(huì )有變化，因此也不會(huì )有振蕩。雖然在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，我們只使用反相器，但您可以在整個(gè)電路中使用任何邏輯門(mén)。然而，在這個(gè)環(huán)形例子中，必須有奇數個(gè)反相級才能振蕩。

現在，你可能會(huì )問(wèn)：電路的哪些方面決定了工作頻率？基本上，每個(gè)逆變器的固有延遲（td）和級數（N）根據以下方程式?jīng)Q定：

由于td通常很小，并且希望將N最小化，因此頻率通常很高，大約為數百MHz甚至GHz。對于低速應用或精確的頻率控制，用戶(hù)通常必須向每個(gè)逆變器的輸出端添加負載，最簡(jiǎn)單的是通過(guò)RC電路，如圖2所示。

帶RC負載的環(huán)形振蕩器

圖2:帶RC負載的環(huán)形振蕩器

向前看，假設所有逆變器在

其中VDD是電源電壓，振蕩頻率變?yōu)椋?/p>

接下來(lái)，假設RC>td，我們可以說(shuō)振蕩頻率完全取決于RC時(shí)間常數和級數。

至于優(yōu)點(diǎn)，這種設計的簡(jiǎn)單性使其對高速振蕩器設計具有吸引力；然而，對于較低的頻率，很難控制這些。另一個(gè)缺點(diǎn)是，由于高切換速率，這種架構通常功耗很大。

使用555定時(shí)器作為方波發(fā)生器

接下來(lái)，我們將討論使用555定時(shí)器創(chuàng )建方波振蕩器。這種通用IC用于：

各種脈沖產(chǎn)生

延誤

時(shí)間安排

振蕩器應用

555定時(shí)器有很多種，由幾家公司開(kāi)發(fā)，但我們將重點(diǎn)介紹德州儀器的LM555。數據表第7.4.2節說(shuō)明了定時(shí)器的不穩定操作，正如我們從上一篇文章中所知，這是我們感興趣的。實(shí)現的示意圖如圖3所示。

LM555定時(shí)器設置，用于非穩定操作模式

圖3。LM555定時(shí)器設置為不穩定操作模式。圖片由德州儀器提供

這里，電容器C由電阻器RA和RB充電。一旦達到上觸發(fā)點(diǎn)（在定時(shí)器的情況下，VCC的?），C就會(huì )通過(guò)RB放電至VCC的85%。此時(shí)，電容器再次開(kāi)始充電，這種行為會(huì )無(wú)限期地持續下去。由此，我們可以通過(guò)以下方程獲得充電和放電時(shí)間以及振蕩周期：

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。然而，這些不能短于tfall，這意味著(zhù)占空比必須大于50%，但如果RB>RA，則可以接近方波占空比。

這種實(shí)現的優(yōu)點(diǎn)是它簡(jiǎn)單，需要最少的硬件，也是低速振蕩器的穩定可靠的解決方案。至于限制，這種設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 UNO R3的方波發(fā)生器

最后，我們將討論通過(guò)Arduino實(shí)現振蕩器。在我們的例子中，我們將看看Arduino UNO R3。該板的引腳如圖4所示。

Arduino UNO R3引腳。

圖4。Arduino UNO R3引腳。圖片由Arduino提供[點(diǎn)擊圖片放大]

對于我們的生成器，我們將使用Arduino UNO的數字I/O引腳之一，特別是D7。實(shí)現此解決方案不需要外部硬件，因為這都可以通過(guò)下面顯示的Arduino程序定義：

在上面的代碼片段中，我們聲明了三個(gè)全局變量，允許用戶(hù)設置頻率和占空比。在這個(gè)例子中，我們可以創(chuàng )建一個(gè)占空比為50%的100 Hz輸出，從而產(chǎn)生方波。然后，我們可以使用“pinMode”函數在void設置塊中初始化數字輸出引腳。接下來(lái)，我們可以進(jìn)入一個(gè)連續循環(huán)，將D7設置為高，并將輸出保持在該值一段時(shí)間，該時(shí)間等于占空比乘以周期。最后，我們可以將輸出設置為邏輯低電平，并在剩余的時(shí)間段內保持信號不變。因此，一旦Arduino打開(kāi)，這個(gè)循環(huán)將無(wú)限期地繼續下去。

正如您所看到的，軟件實(shí)現允許在零外部硬件的情況下具有高度的靈活性。雖然這相當簡(jiǎn)單，但我們僅限于A(yíng)rduino的帶寬，除非我們使用外部振蕩器來(lái)推動(dòng)更高的頻率，如果需要高速振蕩器的話(huà)。