基于NE555的施密特振荡电路的仿真误差分析和修正

朱跃杰,潘巧智,冷婧超,王新宇,李亮亮,林晓婷,刘星烁

(辽宁科技学院 电子与信息工程学院,辽宁 本溪 117004)

0 引言

在文献[1]和[2]中,提出了基于晶振的高精度振荡的设计方案,然而在实际应用中,一些应用场合下需要精度不高但是频率较低的方波,且要求系统的性价比较高。基于555的施密特振荡电路就成为有效方式之一,在前期的设计工作中,基于Proteus的仿真为主要手段之一,但通过实践发现仿真频率与实际频率存在较大误差,必须进行分析和修正。

1 555施密特振荡电路频率的理想表达式与实际偏差

基于Proteus的施密特振荡仿真电路设计如图1所示。在设计中,选取了TI公司的NE555定时器,选取R1和C1,用DM3068测得R1的真实值为100.1 kΩ,C1的真实值为59.5 nF,设计中使用5 V电源,记为VCC。仿真结果如图1所示,振荡频率为121 Hz。

图1 基于Proteus的施密特振荡电路仿真设计(R1=100.1 kΩ,C1=59.5 nF)

根据文献[4],基于555的施密特振荡电路有两个阈值,分别为V+和V-,根据电路学,设上升的时间为tr,有:

(1)

下降时间为tf,有:

(2)

综合式(1)和式(2),得到振荡周期的理论表达式为:

(3)

T=2RCln2

(4)

因此,输出的振荡频率为:

(5)

在式(5)中,代入前述值,R=100.1 kΩ,C=59.5 nF,振荡频率f为121 Hz,与仿真结果一致。

按照图1搭建实际振荡电路,振荡波形如图2所示,振荡频率为107 Hz,与仿真结果不一致,存在13.1%的误差(示波器型号为DS2102A)。

图2 施密特振荡电路的实际输出频率(R1=100.1 kΩ,C1=59.5 nF)

当设计中使用R1=10.03 kΩ电阻时,其他参数不变,仿真结果为1 209 Hz,但是实际输出频率为943 Hz,误差已经达到28.2%,无法满足工程设计的需要,必须对其进行修正。

2 仿真误差的分析

式(1)成立的前提是NE555引脚3的输出电压为VCC,就是满足轨对轨输出,但是根据文献[3],引脚3的输出电压是3.3 V以上,非标准的5 V,表达式(1)已经不再准确成立,因此必须修正。

假设引脚3的输出电压为Vout

(6)

(7)

式(7)中,当λ取1时,就是轨对轨满幅输出,即为理想情况下振荡输出频率表达式(5)。

3 仿真误差的修正

在实际应用中,为了获取上述式(7)中的λ,需要按照图3测量引脚3的真实输出电压Vout。

图3 λ测量电路

根据文献[3],当对NE555的引脚2和6短接并接地时,其内部电路处在置位状态,引脚3输出高电平,接入对应的负载R1即可测量输出电压Vout。

基于式(7)的修正结果如表1所示,所用仪器为DS2102A,DM3068。

表1 修正结果比对表(VCC=5.02 V,TI公司的NE555)

通过表1,可知式(7)对仿真结果有了较好的修正功能,修正后误差显著缩小,说明了式(7)的准确性。

4 结语

通过上述分析可以看到,在Proteus仿真中,没有考虑到 NE555引脚3的非满幅输出,因此仿真中尤其是千Hz以上,出现了较大的误差,在实际中必须修正。

当负载增加后,必须考虑到NE555引脚3负载特性,λ值减少,式(1)的计算存在较大的误差。

通过对TI公司的NE555的实际测量,发现文献[3]、[5]提出的阈值误差对修正结果的影响不大,可以忽略不计,对引用式(7)进行修正即可。