基于NE555的施密特振蕩電路的仿真誤差分析和修正

朱躍杰,潘巧智,冷婧超,王新宇,李亮亮,林曉婷,劉星爍

(遼寧科技學院 電子與信息工程學院,遼寧 本溪 117004)

0 引言

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

1 555施密特振蕩電路頻率的理想表達式與實際偏差

基于Proteus的施密特振蕩仿真電路設計如圖1所示。在設計中,選取了TI公司的NE555定時器,選取R1和C1,用DM3068測得R1的真實值為100.1 kΩ,C1的真實值為59.5 nF,設計中使用5 V電源,記為VCC。仿真結果如圖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計(R1=100.1 kΩ,C1=59.5 nF)

根據文獻[4],基于555的施密特振蕩電路有兩個閾值,分別為V+和V-,根據電路學,設上升的時間為tr,有:

(1)

下降時間為tf,有:

(2)

綜合式(1)和式(2),得到振蕩周期的理論表達式為:

(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,與仿真結果一致。

按照圖1搭建實際振蕩電路,振蕩波形如圖2所示,振蕩頻率為107 Hz,與仿真結果不一致,存在13.1%的誤差(示波器型號為DS2102A)。

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

當設計中使用R1=10.03 kΩ電阻時,其他參數不變,仿真結果為1 209 Hz,但是實際輸出頻率為943 Hz,誤差已經達到28.2%,無法滿足工程設計的需要,必須對其進行修正。

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,就是滿足軌對軌輸出,但是根據文獻[3],引腳3的輸出電壓是3.3 V以上,非標準的5 V,表達式(1)已經不再準確成立,因此必須修正。

假設引腳3的輸出電壓為Vout

(6)

(7)

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

3 仿真誤差的修正

在實際應用中,為了獲取上述式(7)中的λ,需要按照圖3測量引腳3的真實輸出電壓Vout。

圖3 λ測量電路

根據文獻[3],當對NE555的引腳2和6短接并接地時,其內部電路處在置位狀態,引腳3輸出高電平,接入對應的負載R1即可測量輸出電壓Vout。

基于式(7)的修正結果如表1所示,所用儀器為DS2102A,DM3068。

表1 修正結果比對表(VCC=5.02 V,TI公司的NE555)

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

4 結語

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,出現了較大的誤差,在實際中必須修正。

當負載增加后,必須考慮到NE555引腳3負載特性,λ值減少,式(1)的計算存在較大的誤差。

通過對TI公司的NE555的實際測量,發現文獻[3]、[5]提出的閾值誤差對修正結果的影響不大,可以忽略不計,對引用式(7)進行修正即可。