頻率、波形和振幅可調的三角波發生器之MULTISIM仿真

ID:645485 · 發表于 2023-4-3 19:15

今天在網上看到一個資料，說是通過555定時器再加上簡單的外圍電路，可以產生頻率、波形和振幅可調的三角波/鋸齒波。眼下正好有時間，用電腦上的MULTISIM仿真軟件，簡單搭建一個電路模擬分析一下。以下是詳細資料和仿真過程：
資料來源：頻率、波形和振幅可調的555三角波發生器

本設計實例基于555模擬定時器，它可以產生任意三角波/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模擬定時器所設計的所有振蕩器，那這將令人難以置信。這個“電路聚寶盆”當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。本文所描述的拓撲探索了一些新的可能，它不僅新穎而且有用，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所構成的反饋回路，并帶有RRIO(軌到軌輸入輸出)運算放大器積分器A2，用于生成具有可調頻率(通過R1)、波形(通過R2)和振幅(通過R3)的線性三角波輸出信號(Tout)。下面來介紹它的工作原理。

A2的積分器本質上是反相的，因此信號鏈中的某處就需要產生互補信號反相以取消反轉并使A2能為U1提供正反饋。這就是A1的工作——盡管把高大上的運算放大器用作基本的反相器對它來說可能有點貶低。
A1的軌到軌輸出(–Pout=Vss到Vdd)和波形設置電壓VR2(同樣是Vss到Vdd)之差是A2積分的輸入，從而產生線性斜坡電壓dV/dT=-(–Pout–VR2)/R1C2。這種關系使得振蕩器頻率與R1成反比，理論上隨著R1接近完全順時針即零電阻而無限增加。
(–Pout–VR2)微分關系使Tout波形可通過R2調節。

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

根據圖2，將R2設置為中位值(0.5)會產生對稱的三角波形，而接近0或1.0的設置則會產生鋸齒波。脈沖輸出Pout的占空比也跟隨R2變化，其范圍從R2接近零時接近0%，到R2在中位值時為50%，到R2接近完全順時針時接近100%，而反函數–Pout則用于提供補充。

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完全逆時針)到2Vdd/3(完全順時針)可變，后者是通常555 Vdd/3振蕩跨度的兩倍。這是通過在將復合信號輸入到U1的Th(閾值)和Tr(觸發)引腳之前將Pout和–Pout脈沖的可調比率與A2的斜坡相加來實現的。該總和抵消了A2斜坡的開關點。Tout以Vdd/2為中心保持對稱。

請注意，R3對Pout或–Pout幅度沒有影響，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關，且相互獨立。因此最簡單的設置方法是先調整波形(R2)和幅度(R3)，再設置頻率(R1)。這將最大限度地減少重復交互“追尾”調整的需要。
為C2給出的0.01μF電容值適用于kHz范圍內的工作頻率，但也可以針對幾乎任何首選范圍進行更改，增加C2可降低頻率，降低C2則可提高頻率。
所有輸出都經過有源緩沖并且為低阻抗，而使其對負載不敏感，并且很少需要額外的緩沖。
溫度穩定性主要取決于電阻器和電容器的溫度系數，因為555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，低于大多數其他基于555的線性斜坡發生器。

以下是根據資料，在MULTISIM中搭建的電路和仿真波形：

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