頻率、波形和振幅可調(diào)的三角波發(fā)生器之MULTISIM仿真

ID:645485 · 發(fā)表于 2023-4-3 19:15

今天在網(wǎng)上看到一個(gè)資料，說(shuō)是通過(guò)555定時(shí)器再加上簡(jiǎn)單的外圍電路，可以產(chǎn)生頻率、波形和振幅可調(diào)的三角波/鋸齒波。眼下正好有時(shí)間，用電腦上的MULTISIM仿真軟件，簡(jiǎn)單搭建一個(gè)電路模擬分析一下。以下是詳細(xì)資料和仿真過(guò)程：
資料來(lái)源：頻率、波形和振幅可調(diào)的555三角波發(fā)生器

本設(shè)計(jì)實(shí)例基于555模擬定時(shí)器，它可以產(chǎn)生任意三角波/鋸齒波，其波形、頻率和振幅由電位器控制。如果我們能整理出圍繞555模擬定時(shí)器所設(shè)計(jì)的所有振蕩器，那這將令人難以置信。這個(gè)“電路聚寶盆”當(dāng)中涵蓋了可變占空比、線性斜坡、三角波和鋸齒波等各種波形。本文所描述的拓?fù)涮剿髁艘恍┬碌目赡埽粌H新穎而且有用，因此希望它不只是紙上談兵。

圖1給出了這種新的振蕩器，它基于CMOS 555 U1所構(gòu)成的反饋回路，并帶有RRIO(軌到軌輸入輸出)運(yùn)算放大器積分器A2，用于生成具有可調(diào)頻率(通過(guò)R1)、波形(通過(guò)R2)和振幅(通過(guò)R3)的線性三角波輸出信號(hào)(Tout)。下面來(lái)介紹它的工作原理。

A2的積分器本質(zhì)上是反相的，因此信號(hào)鏈中的某處就需要產(chǎn)生互補(bǔ)信號(hào)反相以取消反轉(zhuǎn)并使A2能為U1提供正反饋。這就是A1的工作——盡管把高大上的運(yùn)算放大器用作基本的反相器對(duì)它來(lái)說(shuō)可能有點(diǎn)貶低。
A1的軌到軌輸出(–Pout=Vss到Vdd)和波形設(shè)置電壓VR2(同樣是Vss到Vdd)之差是A2積分的輸入，從而產(chǎn)生線性斜坡電壓dV/dT=-(–Pout–VR2)/R1C2。這種關(guān)系使得振蕩器頻率與R1成反比，理論上隨著R1接近完全順時(shí)針即零電阻而無(wú)限增加。
(–Pout–VR2)微分關(guān)系使Tout波形可通過(guò)R2調(diào)節(jié)。

圖2顯示了旋轉(zhuǎn)R2(從0.05到0.95順時(shí)針)對(duì)Tout的影響。A2的RR輸入使其得以運(yùn)作，即使將R2移動(dòng)到任意接近Vdd(完全順時(shí)針)或Vss(完全逆時(shí)針)。

根據(jù)圖2，將R2設(shè)置為中位值(0.5)會(huì)產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的三角波形，而接近0或1.0的設(shè)置則會(huì)產(chǎn)生鋸齒波。脈沖輸出Pout的占空比也跟隨R2變化，其范圍從R2接近零時(shí)接近0%，到R2在中位值時(shí)為50%，到R2接近完全順時(shí)針時(shí)接近100%，而反函數(shù)–Pout則用于提供補(bǔ)充。

圖3顯示了R3、R4和R5反饋回路如何控制Tout振幅，從接近零(R3完全逆時(shí)針)到2Vdd/3(完全順時(shí)針)可變，后者是通常555 Vdd/3振蕩跨度的兩倍。這是通過(guò)在將復(fù)合信號(hào)輸入到U1的Th(閾值)和Tr(觸發(fā))引腳之前將Pout和–Pout脈沖的可調(diào)比率與A2的斜坡相加來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該總和抵消了A2斜坡的開(kāi)關(guān)點(diǎn)。Tout以Vdd/2為中心保持對(duì)稱(chēng)。

請(qǐng)注意，R3對(duì)Pout或–Pout幅度沒(méi)有影響，它們始終具有完整的Vss到Vdd偏移。
振蕩頻率受波形和振幅變化的影響，但波形和振幅與頻率無(wú)關(guān)，且相互獨(dú)立。因此最簡(jiǎn)單的設(shè)置方法是先調(diào)整波形(R2)和幅度(R3)，再設(shè)置頻率(R1)。這將最大限度地減少重復(fù)交互“追尾”調(diào)整的需要。
為C2給出的0.01μF電容值適用于kHz范圍內(nèi)的工作頻率，但也可以針對(duì)幾乎任何首選范圍進(jìn)行更改，增加C2可降低頻率，降低C2則可提高頻率。
所有輸出都經(jīng)過(guò)有源緩沖并且為低阻抗，而使其對(duì)負(fù)載不敏感，并且很少需要額外的緩沖。
溫度穩(wěn)定性主要取決于電阻器和電容器的溫度系數(shù)，因?yàn)?55和2372在這方面非常出色。
總Vdd電流消耗將取決于Vdd、工作頻率和輸出負(fù)載，但通常小于3mA。該振蕩器在低至3V的電源電壓下工作的能力，低于大多數(shù)其他基于555的線性斜坡發(fā)生器。

以下是根據(jù)資料，在MULTISIM中搭建的電路和仿真波形：

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