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(shù)字方波發(fā)生器。

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

振蕩器，同時(shí)討論其優(yōu)點(diǎn)和局限性。

在深入研究之前，讓我們注意，我們將分析三個(gè)示例：

環(huán)形振蕩器

基于 555 定時(shí)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(jiǎn)單的架構(gòu)，它利用一串 逆 變 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。

圖1. 通用環(huán)形振蕩器架構(gòu)

不僅架構(gòu)簡(jiǎn)單，而且該電路的操作也很簡(jiǎn)單。啟動(dòng)時(shí)，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(kāi)始上升，一旦INV的跳變點(diǎn)2

命中，該輸出將開(kāi)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(diǎn)以維持反應(yīng)。總體而言，該反應(yīng)會(huì)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(shí)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(gè)要求是必要的，因?yàn)檎缥覀冊(cè)趫D1中看到的，任何逆變器的輸出，INVX，其中

X 是偶數(shù)，將具有補(bǔ)充 INV 輸出的輸出1.如果此值反饋給

INV1，不會(huì)有任何變化，因此也不會(huì)振蕩。雖然在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，我們只使用逆變器，但您可以使用任何 邏輯門(mén)

在整個(gè)電路中。但是，在這個(gè)環(huán)形示例中，必須有奇數(shù)個(gè)反相級(jí)才能振蕩。

現(xiàn)在，您可能會(huì)問(wèn)的一個(gè)問(wèn)題是：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），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(duì)于低速應(yīng)用或精確的頻率控制，用戶(hù)通常必須為每個(gè)逆變器的輸出增加一個(gè)負(fù)載，最簡(jiǎn)單地通過(guò) 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(lái)，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(lái)，假設(shè) RC 》d，我們可以說(shuō)振蕩頻率完全取決于RC時(shí)間常數(shù)和級(jí)數(shù)。

至于優(yōu)點(diǎn)，這種設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性使其對(duì)高速振蕩器設(shè)計(jì)具有吸引力;但是，對(duì)于較低的頻率，很難控制這些頻率。另一個(gè)缺點(diǎn)是，由于開(kāi)關(guān)速率高，這種架構(gòu)通常很耗電。

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。該通用IC用于：

各種脈沖產(chǎn)生

延遲

定時(shí)

振蕩器應(yīng)用

幾家公司創(chuàng)建的 555 計(jì)時(shí)器種類(lèi)繁多，但我們將專(zhuān)注于 LM555 來(lái)自德州儀器。 數(shù)據(jù)表 第 7.4.2 節(jié)

說(shuō)明了計(jì)時(shí)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(shí)現(xiàn)原理圖如圖3所示。

圖3. LM555 定時(shí)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(gè) 和 RB.一旦它到達(dá)上跳變點(diǎn)（在計(jì)時(shí)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(guò) RB.此時(shí)，電容器再次開(kāi)始充電，并且這種行為無(wú)限期地持續(xù)下去。由此，我們可以通過(guò)以下等式獲得充電和放電時(shí)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(gè)。

這種實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)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(jì)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(guò) Arduino 實(shí)現(xiàn)振蕩器。對(duì)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(diǎn)擊圖片放大］

對(duì)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(lái)說(shuō)，D7。實(shí)現(xiàn)此解決方案不需要外部硬件，因?yàn)檫@都可以通過(guò)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(hù)定義的頻率值

int per_ms = 1e3*（1/頻率）;將一種狀態(tài)（高或低）的時(shí)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(xiě)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(xiě)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(gè)全局變量，允許用戶(hù)設(shè)置頻率和占空比。在本例中，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。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(lái)，我們可以進(jìn)入一個(gè)連續(xù)循環(huán)，將D7設(shè)置為HIGH，并將輸出保持在該值，時(shí)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(hào)留在那里。因此，一旦Arduino打開(kāi)，此循環(huán)將無(wú)限期地繼續(xù)。

如您所見(jiàn)，該軟件實(shí)現(xiàn)允許高度靈活性，無(wú)需外部硬件。雖然這相當(dāng)簡(jiǎn)單，但我們僅限于 Arduino

的帶寬，除非我們?cè)谛枰咚僬袷幤鲿r(shí)使用外部振蕩器來(lái)推動(dòng)更高的頻率。