通过环形振荡器、555 定时器和 Arduino 进行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 设计方波振荡器即 运算放大器（运算放大器） 和基于晶体管的模拟实现 非稳态多谐振荡器。在本文中，我们将研究实现 方波

振荡器，同时讨论其优点和局限性。

在深入研究之前，让我们注意，我们将分析三个示例：

环形振荡器

基于 555 定时器的振荡器

用于产生方波振荡器的 Arduino

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 逆 变 器 最终输出馈入第一个输入，形成一个环，如图1所示。

图1. 通用环形振荡器架构

不仅架构简单，而且该电路的操作也很简单。启动时，让我们假设 INV1 从逻辑 0 转到逻辑 1。随着该逆变器的输出开始上升，一旦INV的跳变点2

命中，该输出将开始减少到逻辑

0。这种连锁反应一直持续到最终逆变器INVN，然后该输出反馈到起点以维持反应。总体而言，该反应会产生恒定的振荡，并且假设所有逆变器具有相同的上升/下降时间，将产生方波输出。

为了使电路按所述工作，环中的逆变器数量（在图1中用N表示）必须是奇数。这个要求是必要的，因为正如我们在图1中看到的，任何逆变器的输出，INVX，其中

X 是偶数，将具有补充 INV 输出的输出1.如果此值反馈给

INV1，不会有任何变化，因此也不会振荡。虽然在这个简单的例子中，我们只使用逆变器，但您可以使用任何 逻辑门

在整个电路中。但是，在这个环形示例中，必须有奇数个反相级才能振荡。

现在，您可能会问的一个问题是：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），阶段数 （N） 根据等式确定：

f=12tdNf=12tdN

由于 td 通常很小，并且希望最小化N，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，用户通常必须为每个逆变器的输出增加一个负载，最简单地通过 遥控电路，如图2所示。

图2. 带RC负载的环形振荡器

展望未来，假设所有逆变器都以 VDD2VDD2 跳闸，其中 VDD 是供应 电压，振荡频率变为：

f=12（td+0.69RC）Nf=12（td+0.69RC）N

接下来，假设 RC 》d，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;但是，对于较低的频率，很难控制这些频率。另一个缺点是，由于开关速率高，这种架构通常很耗电。

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。该通用IC用于：

各种脉冲产生

延迟

定时

振荡器应用

几家公司创建的 555 计时器种类繁多，但我们将专注于 LM555 来自德州仪器。 数据表 第 7.4.2 节

说明了计时器的不稳定操作，正如我们从上一篇文章中知道的那样，这是我们感兴趣的。实现原理图如图3所示。

图3. LM555 定时器设置，用于不稳定操作模式。图片由 德州仪器

在这里， 电容器，C，由 电阻， R一个 和 RB.一旦它到达上跳变点（在计时器的情况下，V 的 2/3抄送），C 然后放电至 V 的 1/3抄送

通过 RB.此时，电容器再次开始充电，并且这种行为无限期地持续下去。由此，我们可以通过以下等式获得充电和放电时间以及振荡周期：

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。但是，这些不能短于 t秋天，这意味着占空比必须大于 50%，但如果 RB

》·一个。

这种实现的优点是简单，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，此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 Arduino 的方波发生器，使用 Arduino UNO R3

最后，我们将讨论通过 Arduino 实现振荡器。对于我们的示例，我们将查看 Arduino UNO R3.该板的引脚排列如图4所示。

图4. Arduino UNO R3 引脚排列。图片由 阿杜伊诺 ［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，具体来说，D7。实现此解决方案不需要外部硬件，因为这都可以通过如下所示的Arduino程序定义：

整数频率 = 100; 以 Hz 为单位设置用户定义的频率值

int per_ms = 1e3*（1/频率）;将一种状态（高或低）的时间设置为 T/2（以毫秒为单位）

int dutyCyc = 0.5;设置输出波形的占空比

void setup（） {

引脚模式（7，输出）;将 D7 设置为数字输出

}

振荡环

void loop（） {

数字写入（7，高）;将 D7 设置为逻辑 1

延迟（Cyc*per_ms）;在逻辑 1 处保留 T/2

数字写入（7，低）;将 D7 设置为逻辑 0

延迟（（1-Cyc）*per_ms）;在逻辑 0 处保留 T/2

}

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。在本例中，我们可以创建一个占空比为 50% 的 100 Hz

输出，从而产生方波。从那里，我们可以使用“pinMode”功能在空隙设置块中初始化我们的数字输出引脚。接下来，我们可以进入一个连续循环，将D7设置为HIGH，并将输出保持在该值，时间等于占空比乘以周期。最后，我们可以将输出调至逻辑低电平，并在剩余的周期内将信号留在那里。因此，一旦Arduino打开，此循环将无限期地继续。

如您所见，该软件实现允许高度灵活性，无需外部硬件。虽然这相当简单，但我们仅限于 Arduino

的带宽，除非我们在需要高速振荡器时使用外部振荡器来推动更高的频率。