朱躍杰,潘巧智,冷婧超,王新宇,李亮亮,林曉婷,劉星爍

(遼寧科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院,遼寧 本溪 117004)

0 引言

在文獻(xiàn)[1]和[2]中,提出了基于晶振的高精度振蕩的設(shè)計(jì)方案,然而在實(shí)際應(yīng)用中,一些應(yīng)用場(chǎng)合下需要精度不高但是頻率較低的方波,且要求系統(tǒng)的性價(jià)比較高?；?55的施密特振蕩電路就成為有效方式之一,在前期的設(shè)計(jì)工作中,基于Proteus的仿真為主要手段之一,但通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)仿真頻率與實(shí)際頻率存在較大誤差,必須進(jìn)行分析和修正。

1 555施密特振蕩電路頻率的理想表達(dá)式與實(shí)際偏差

基于Proteus的施密特振蕩仿真電路設(shè)計(jì)如圖1所示。在設(shè)計(jì)中,選取了TI公司的NE555定時(shí)器,選取R1和C1,用DM3068測(cè)得R1的真實(shí)值為100.1 kΩ,C1的真實(shí)值為59.5 nF,設(shè)計(jì)中使用5 V電源,記為VCC。仿真結(jié)果如圖1所示,振蕩頻率為121 Hz。

圖1 基于Proteus的施密特振蕩電路仿真設(shè)計(jì)(R1=100.1 kΩ,C1=59.5 nF)

根據(jù)文獻(xiàn)[4],基于555的施密特振蕩電路有兩個(gè)閾值,分別為V+和V-,根據(jù)電路學(xué),設(shè)上升的時(shí)間為tr,有:

(1)

下降時(shí)間為tf,有:

(2)

綜合式(1)和式(2),得到振蕩周期的理論表達(dá)式為:

(3)

T=2RCln2

(4)

因此,輸出的振蕩頻率為:

(5)

在式(5)中,代入前述值,R=100.1 kΩ,C=59.5 nF,振蕩頻率f為121 Hz,與仿真結(jié)果一致。

按照?qǐng)D1搭建實(shí)際振蕩電路,振蕩波形如圖2所示,振蕩頻率為107 Hz,與仿真結(jié)果不一致,存在13.1%的誤差(示波器型號(hào)為DS2102A)。

圖2 施密特振蕩電路的實(shí)際輸出頻率(R1=100.1 kΩ,C1=59.5 nF)

當(dāng)設(shè)計(jì)中使用R1=10.03 kΩ電阻時(shí),其他參數(shù)不變,仿真結(jié)果為1 209 Hz,但是實(shí)際輸出頻率為943 Hz,誤差已經(jīng)達(dá)到28.2%,無法滿足工程設(shè)計(jì)的需要,必須對(duì)其進(jìn)行修正。

2 仿真誤差的分析

式(1)成立的前提是NE555引腳3的輸出電壓為VCC,就是滿足軌對(duì)軌輸出,但是根據(jù)文獻(xiàn)[3],引腳3的輸出電壓是3.3 V以上,非標(biāo)準(zhǔn)的5 V,表達(dá)式(1)已經(jīng)不再準(zhǔn)確成立,因此必須修正。

假設(shè)引腳3的輸出電壓為Vout

(6)

(7)

式(7)中,當(dāng)λ取1時(shí),就是軌對(duì)軌滿幅輸出,即為理想情況下振蕩輸出頻率表達(dá)式(5)。

3 仿真誤差的修正

在實(shí)際應(yīng)用中,為了獲取上述式(7)中的λ,需要按照?qǐng)D3測(cè)量引腳3的真實(shí)輸出電壓Vout。

圖3 λ測(cè)量電路

根據(jù)文獻(xiàn)[3],當(dāng)對(duì)NE555的引腳2和6短接并接地時(shí),其內(nèi)部電路處在置位狀態(tài),引腳3輸出高電平,接入對(duì)應(yīng)的負(fù)載R1即可測(cè)量輸出電壓Vout。

基于式(7)的修正結(jié)果如表1所示,所用儀器為DS2102A,DM3068。

表1 修正結(jié)果比對(duì)表(VCC=5.02 V,TI公司的NE555)

通過表1,可知式(7)對(duì)仿真結(jié)果有了較好的修正功能,修正后誤差顯著縮小,說明了式(7)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

通過上述分析可以看到,在Proteus仿真中,沒有考慮到 NE555引腳3的非滿幅輸出,因此仿真中尤其是千Hz以上,出現(xiàn)了較大的誤差,在實(shí)際中必須修正。

當(dāng)負(fù)載增加后,必須考慮到NE555引腳3負(fù)載特性,λ值減少,式(1)的計(jì)算存在較大的誤差。

通過對(duì)TI公司的NE555的實(shí)際測(cè)量,發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)[3]、[5]提出的閾值誤差對(duì)修正結(jié)果的影響不大,可以忽略不計(jì),對(duì)引用式(7)進(jìn)行修正即可。