基于环形振荡器、555定时器和Arduino的数字方波发生器设计

了解使用环形振荡器、基于555定时器的振荡器和Arduino生成的方波振荡器的数字方波发生器。

之前，我们介绍了设计方波振荡器的概念，即运算放大器（op-amp）和基于晶体管的非稳态多谐振荡器的模拟实现。在本文中，我们将研究实现方波振荡器的数字方法，同时讨论其优点和局限性。

在深入探讨之前，让我们注意一下我们将分析三个例子：

环形振荡器

基于555定时器的振荡器

Arduino产生方波振荡器

使用环形振荡器的方波发生器

环形振荡器具有相当简单的架构，它利用一串反相器，最终输出馈入第一个输入，形成一个环，如图1所示。

通用环形振荡器架构

图1。通用环形振荡器架构

不仅架构简单，电路的操作也很简单。启动时，假设INV1从逻辑0变为逻辑1。随着该逆变器的输出开始上升，一旦达到INV2的触发点，该输出将开始降至逻辑0。这种连锁反应持续到最终的逆变器INVN，然后输出反馈到开始以维持反应。总的来说，这种反应会产生持续的振荡，假设所有逆变器的上升/下降时间相同，将产生方波输出。

为了使电路按所述运行，环中的逆变器数量（图1中用N表示）必须是奇数。这一要求是必要的，因为如图1所示，任何反相器INVX的输出（其中X是偶数）都将具有与INV1的输出互补的输出。如果将该值反馈到INV1，则不会有变化，因此也不会有振荡。虽然在这个简单的例子中，我们只使用反相器，但您可以在整个电路中使用任何逻辑门。然而，在这个环形例子中，必须有奇数个反相级才能振荡。

现在，你可能会问：电路的哪些方面决定了工作频率？基本上，每个逆变器的固有延迟（td）和级数（N）根据以下方程式决定：

由于td通常很小，并且希望将N最小化，因此频率通常很高，大约为数百MHz甚至GHz。对于低速应用或精确的频率控制，用户通常必须向每个逆变器的输出端添加负载，最简单的是通过RC电路，如图2所示。

带RC负载的环形振荡器

图2:带RC负载的环形振荡器

向前看，假设所有逆变器在

其中VDD是电源电压，振荡频率变为：

接下来，假设RC>td，我们可以说振荡频率完全取决于RC时间常数和级数。

至于优点，这种设计的简单性使其对高速振荡器设计具有吸引力；然而，对于较低的频率，很难控制这些。另一个缺点是，由于高切换速率，这种架构通常功耗很大。

使用555定时器作为方波发生器

接下来，我们将讨论使用555定时器创建方波振荡器。这种通用IC用于：

各种脉冲产生

延误

时间安排

振荡器应用

555定时器有很多种，由几家公司开发，但我们将重点介绍德州仪器的LM555。数据表第7.4.2节说明了定时器的不稳定操作，正如我们从上一篇文章中所知，这是我们感兴趣的。实现的示意图如图3所示。

LM555定时器设置，用于非稳定操作模式

图3。LM555定时器设置为不稳定操作模式。图片由德州仪器提供

这里，电容器C由电阻器RA和RB充电。一旦达到上触发点（在定时器的情况下，VCC的⅔），C就会通过RB放电至VCC的85%。此时，电容器再次开始充电，这种行为会无限期地持续下去。由此，我们可以通过以下方程获得充电和放电时间以及振荡周期：

在这里，我们可以看到，我们不仅可以控制振荡频率，还可以控制输出占空比。然而，这些不能短于tfall，这意味着占空比必须大于50%，但如果RB>RA，则可以接近方波占空比。

这种实现的优点是它简单，需要最少的硬件，也是低速振荡器的稳定可靠的解决方案。至于限制，这种设计不适用于需要小于50%的占空比或需要高速的情况。

基于ArduinoUNO R3的方波发生器

最后，我们将讨论通过Arduino实现振荡器。在我们的例子中，我们将看看Arduino UNO R3。该板的引脚如图4所示。

Arduino UNO R3引脚。

图4。Arduino UNO R3引脚。图片由Arduino提供[点击图片放大]

对于我们的生成器，我们将使用Arduino UNO的数字I/O引脚之一，特别是D7。实现此解决方案不需要外部硬件，因为这都可以通过下面显示的Arduino程序定义：

在上面的代码片段中，我们声明了三个全局变量，允许用户设置频率和占空比。在这个例子中，我们可以创建一个占空比为50%的100 Hz输出，从而产生方波。然后，我们可以使用“pinMode”函数在void设置块中初始化数字输出引脚。接下来，我们可以进入一个连续循环，将D7设置为高，并将输出保持在该值一段时间，该时间等于占空比乘以周期。最后，我们可以将输出设置为逻辑低电平，并在剩余的时间段内保持信号不变。因此，一旦Arduino打开，这个循环将无限期地继续下去。

正如您所看到的，软件实现允许在零外部硬件的情况下具有高度的灵活性。虽然这相当简单，但我们仅限于Arduino的带宽，除非我们使用外部振荡器来推动更高的频率，如果需要高速振荡器的话。