祝水軍 李良兒

（1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315800；2.浙江海洋大學(xué)，浙江 舟山 316000）

方波是常用的信號(hào)源之一，方波產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)形式多樣。本文根據(jù)555 定時(shí)器的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新的基于555 定時(shí)器的方波產(chǎn)生電路，創(chuàng)新了555 定時(shí)器的應(yīng)用方法[1]。555 定時(shí)器的方波產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠性高，是電子技術(shù)教學(xué)的重要內(nèi)容，也是電路設(shè)計(jì)時(shí)廣泛應(yīng)用的電路。

1 基于555 定時(shí)器的常規(guī)方波產(chǎn)生電路概述

方波產(chǎn)生電路是多諧振蕩電路，它能產(chǎn)生占空比為50%的矩形波信號(hào)。555 定時(shí)器方波產(chǎn)生電路基于555 本身的電氣特點(diǎn)，結(jié)合外圍的RC 充放電電路，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何使充放電的時(shí)間完全對(duì)稱[2]。

1.1 基于555 定時(shí)器的常規(guī)方波產(chǎn)生電路之一

基于555 定時(shí)器的典型的方波產(chǎn)生電路如圖1所示。為了產(chǎn)生方波，用二極管D1 和D2 使電容C1的充、放電路徑不同，從而使輸出信號(hào)的占空比達(dá)到50%[3]。

圖1 555 定時(shí)器的常規(guī)方波產(chǎn)生電路1

圖1電路中，電容C1 充電時(shí)，電路輸出高電平，其持續(xù)時(shí)間為：

電容C1 放電時(shí)，輸出低電平，其持續(xù)時(shí)間為：

由式（1）、（2）可知，只要R1、R2取值相等，即可使t1與t2相等，從而使信號(hào)的占空比為50%，電路輸出方波信號(hào)[4]。

1.2 基于555 定時(shí)器的常規(guī)方波產(chǎn)生電路之二

本方案中，555 的⑦腳懸空未用，定時(shí)電路R1C1連接至555 定時(shí)器的輸出端③腳，如圖2所示。定時(shí)器輸出高電平，該高電平經(jīng)電阻R1對(duì)電容C1充電，當(dāng)C1上的電壓上升至?xí)r，555 定時(shí)器輸出低電平，同時(shí)C1通過R1對(duì)555的輸出端放電，當(dāng)C1上的電壓下降至?xí)r，555 定時(shí)器輸出高電平，如此循環(huán)往復(fù)。通過上述分析可知，電容器C1的充電和放電路徑是相同的，因此電路輸出信號(hào)高、低電平持續(xù)時(shí)間相等，得到方波信號(hào)。

圖2 555 定時(shí)器的常規(guī)方波產(chǎn)生電路2

本方案電路其實(shí)就是由555 構(gòu)成的施密特多諧振蕩電路。該電路的優(yōu)點(diǎn)就是只要調(diào)節(jié)R1的阻值，就可方便地改變輸出方波的頻率。但若負(fù)載發(fā)生變化，將會(huì)引起輸出電壓變化，進(jìn)而會(huì)影響電容C1的充電時(shí)間，使t2產(chǎn)生變化，從而使輸出信號(hào)占空比稍稍偏離50%。

2 一種新的基于555 定時(shí)器的方波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)與分析

筆者設(shè)計(jì)了如圖3所示的方波產(chǎn)生電路。

圖3 一種新的555 定時(shí)器的方波產(chǎn)生電路

在該電路中，電源Vcc 經(jīng)過R1對(duì)電容C1充電，C1充電期間電路輸出高電平，其持續(xù)時(shí)間為：

當(dāng)電容C1上的電壓時(shí)，電路輸出低電平，同時(shí)電容C1開始放電，C1放電路等效電路如圖4所示：

圖4 放電等效電路

根據(jù)RC 暫態(tài)電路三要素公式[6]：

在式（4）中，

整理上式得到：

為了使電路產(chǎn)生方波，必須使，即

整理上式得到：

由此可見，該電路產(chǎn)生方波的條件就是要求解出滿足式（7），即y=0 的解。

2.2 電路參數(shù)求解

對(duì)其求一階導(dǎo)數(shù)得：

對(duì)于式（7）y=0 的準(zhǔn)確解，可用數(shù)值法求解，運(yùn)用MATLAB 求解式（7）[5]，程序如下：

為了便于調(diào)試并查看解的結(jié)果，程序中設(shè)置了可調(diào)的調(diào)試精度和搜索寬度，并用相應(yīng)的數(shù)組存放各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的函數(shù)值。開始從較大搜索范圍和較低的精度運(yùn)行程序，可以發(fā)現(xiàn)在或x＞2 這兩區(qū)間，函數(shù)確屬單調(diào)遞增的，且可以發(fā)現(xiàn)各有一個(gè)解存在。然后可以縮小解的搜索范圍，并提高精度進(jìn)行多次運(yùn)行。

程序運(yùn)行結(jié)果如圖5所示，得到兩個(gè)解：x1=-1，x2≈2.36（當(dāng)x2≈2.362 時(shí)，y≈-0.0005）。

圖5 MATLAB 計(jì)算圖

很顯然，x1=-1 是無意義的解。因此，式（7）的正確解是x≈2.36，即，當(dāng)R1≈2.36R2時(shí)，圖3即可產(chǎn)生方波。

3 電路測(cè)試

為了實(shí)際測(cè)試方便，筆者在圖3電路中用一個(gè)精密電位器與電阻R2串聯(lián)，構(gòu)建了如圖6所示的測(cè)試電路。在實(shí)際電路測(cè)試時(shí)，DS1072E-EDU 示波器測(cè)得該電路實(shí)際輸出方波周期為34.4ms。示波器測(cè)試的波形和記錄的數(shù)字輸出如圖7所示。從圖中可見，波形的高電平和低電平維持的時(shí)間均為17.2ms，說明確為方波。UT802 萬用表測(cè)得圖6電路中各電阻值分別為：

實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，筆者所設(shè)計(jì)的基于555 定時(shí)器的方波信號(hào)發(fā)生器電路理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)吻合。示波器測(cè)試波形表明電路工作穩(wěn)定可靠。

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路

4 結(jié)論

本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種基于555 定時(shí)器方波產(chǎn)生電路，實(shí)際電路測(cè)試數(shù)據(jù)表明，理論計(jì)算正確，電路工作穩(wěn)定可靠。該設(shè)計(jì)電路拓展了555 定時(shí)器的應(yīng)用方法。

圖7 示波器測(cè)試的實(shí)際方波波形圖