基于555时基集成芯片压控振荡器

简 介： 对于555振荡器压控端（PIN5）对于输出信号的占空比 以及频率进行分析和实际测试e.bjdj.gov.cn发现在PIN5电压比较低的时候，会出现频率与理论上计算不同。使用超声波接受传感器以及普通的驻极体MIC接收超声波， 它们均会产生相应。 由于非线性，可以在普通MIC输出的信号中解调出低频信号。

关键词： 超声波，555

§01 555振荡器

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  555定时器在用在很多电子线路中。 博文 超声波定向传送：驱动功率电路制作 中利用了555定时器完成信号调制。 本文对于这个调制过程的理论进行分析。

▲ 图1.1 555定时电路

1.1 555多谐振荡电路

  下图是基于555时基集成芯片组成多谐振荡电路的典型电路。

▲ 图1.1.1 555多谐振荡器

1.1.1 基本振荡频率

  当PIN5（对应的VCNT）通过电容对地时， PIN5对应的电压为VCC的 2/3， 此时对应的充放电的时间分别为：

• 高电平时间： $\ln 2\cdot \left(R_1+R_2\right)\cdot C$
• 低电平时间： $\ln 2\cdot R_2\cdot C$

▲ 图1.1.2 555振荡信号以及计算公式

（1）测量实际电路

  实验电路中的器件参数：

电路元器件参数：

R1：1kΩ
R2：100kΩ
C：222.1pF
U1：NE555

  根据前面计算公式，可以知道对应的频率为：

$$f=\frac{1}{\ln 2\left(R_1+2R_2\right)C}=\frac{1}{\ln 2\times 201k\times 222.1p}=32.316kHz$$

▲ 图1.1.3 面包板上的实验电路板

  测量NE555 管脚5 对于PIN1（GND）， PIN8 （VCC）之间的电阻。

NE555管脚5电阻：

对PIN1电阻：10.53kΩ
对PIN8电阻：5.38kΩ

  工作电压为+9V时，测量PIN5 的电压。

NE555管脚电压：

PIN8（VCC)：8.99V
PIN5（VCTR)：5.99V

  通过上面测量可以看到， NE555的PIN5实现VCC对地之间的三分之二还是非常精确的。

（2）555工作波形

  下面是测量555的PIN3（OUT），PIN2管脚的波形。

▲ 图1.1.4 测量555的PIN3（蓝色），PIN2（青色）波形

  对比前面通过理论计算的频率，实测频率相差 11.91%。

1.1.2 PIN5电压控制

  如果NE555的工作电压为 $V_{CC}$ ， 管脚5 对应的电压为 $V_{Pin5}$ 。

  多谐振荡器的高低电平时间分别为： $$T_{UP}=\ln \left(\frac{\frac{2}{3}{V}_{CC}}{V_{CC}-V_{Pin5}}\right)\cdot \left(R_1+R_2\right)\cdot C$$ $$T_{DN}=\ln 2\cdot R_{2}C$$

▲ 图1.1.5 NE555内部功能结构图

  所以，PIN5电压改变，只是改变了高电平时长。

（1）测量实际电路

  利用FLUKE45的双参数测量功能（VOLTAGE, FREQUENCY）， 每2秒采集一个数字， 输出数字如下图所示。

▲ 图1.1.6 测量PIN5电源对输出电压与频率影响

  下面是每个5秒钟采集一个数字所获得的数据。验证了，上面2秒中测量得到的曲线出现的抖动完全是由于FLUKE45数字万用表在转换电压和频率的时候所需要的时间比较多引起的。

▲ 图1.1.7 测量PIN5电源对输出电压与频率影响

▲ 图1.1.8 重新测量的结果

v5=[1.00000,1.06061,1.12121,1.18182,1.24242,1.30303,1.36364,1.42424,1.48485,1.54545,1.60606,1.66667,1.72727,1.78788,1.84848,1.90909,1.96970,2.03030,2.09091,2.15152,2.21212,2.27273,2.33333,2.39394,2.45455,2.51515,2.57576,2.63636,2.69697,2.75758,2.81818,2.87879,2.93939,3.00000,3.06061,3.12121,3.18182,3.24242,3.30303,3.36364,3.42424,3.48485,3.54545,3.60606,3.66667,3.72727,3.78788,3.84848,3.90909,3.96970,4.03030,4.09091,4.15152,4.21212,4.27273,4.33333,4.39394,4.45455,4.51515,4.57576,4.63636,4.69697,4.75758,4.81818,4.87879,4.93939,5.00000,5.06061,5.12121,5.18182,5.24242,5.30303,5.36364,5.42424,5.48485,5.54545,5.60606,5.66667,5.72727,5.78788,5.84848,5.90909,5.96970,6.03030,6.09091,6.15152,6.21212,6.27273,6.33333,6.39394,6.45455,6.51515,6.57576,6.63636,6.69697,6.75758,6.81818,6.87879,6.93939,7.00000]
vdim=[0.75023,0.78360,0.81874,0.85515,0.89246,0.93040,0.96877,1.00910,1.04760,1.08660,1.12610,1.16560,1.20510,1.24490,1.28470,1.32500,1.36490,1.40500,1.44510,1.48540,1.52560,1.56600,1.60690,1.64740,1.68800,1.72860,1.76940,1.81030,1.85100,1.89220,1.93320,1.97430,2.01530,2.05660,2.09780,2.13890,2.18020,2.22200,2.26340,2.30470,2.34630,2.38780,2.42940,2.47100,2.51300,2.55480,2.59670,2.63850,2.68040,2.72240,2.76450,2.80710,2.84920,2.89160,2.93390,2.97650,3.01920,3.06190,3.10480,3.14810,3.19120,3.23440,3.27760,3.32090,3.36430,3.40790,3.45200,3.49560,3.53930,3.58320,3.62720,3.67130,3.71550,3.75970,3.80450,3.84880,3.89350,3.93820,3.98320,4.02810,4.07340,4.11900,4.16460,4.21040,4.25620,4.30230,4.34850,4.39480,4.44190,4.48860,4.53570,4.58290,4.63030,4.67800,4.72600,4.77440,4.82320,4.87200,4.92130,4.97080]
fdim=[40141.99609,41910.00000,43321.99609,44431.00000,45290.00000,45950.00000,46451.99609,46843.00000,47122.00000,47320.00000,47454.00000,47535.99609,47573.00391,47571.99609,47541.00000,47481.00000,47400.00000,47300.00000,47179.00000,47045.00000,46895.00000,46734.00391,46563.00000,46380.00000,46187.00000,45989.00000,45782.00000,45569.00000,45350.00000,45124.00000,44896.00000,44664.00391,44425.99609,44183.99219,43939.00000,43690.00000,43439.00000,43183.99219,42929.00000,42671.00000,42409.00000,42147.00000,41881.00000,41613.00000,41343.00000,41071.99609,40801.00000,40527.00000,40252.00000,39975.00000,39696.00000,39413.00000,39131.00000,38846.00000,38562.00000,38276.00000,37987.00000,37698.00000,37406.00000,37110.00000,36814.00000,36520.00000,36222.00000,35925.00000,35625.00000,35324.00000,35021.00000,34719.00000,34416.99609,34114.00000,33808.99609,33503.00000,33196.99609,32891.99609,32580.00195,32270.00000,31959.99805,31650.00000,31338.00000,31024.00000,30709.00000,30389.00195,30073.00000,29754.00195,29434.00000,29112.00000,28788.00000,28463.00000,28132.99805,27805.00000,27476.00000,27145.00000,26812.00000,26477.00000,26140.00000,25802.00000,25457.00195,25115.00000,24769.00000,24420.00000]

（2）测量程序和数据

from headm import *
from tsmodule.tsvisa        import *
from tsmodule.tsstm32       import *

v5 = linspace(1, 7, 100)

vdim = []
fdim = []

for v in v5:
    dh1766volt(v)
    time.sleep(5)
    meter = meterval()
    vdim.append(meter[0])
    fdim.append(meter[1])
    printff(v, meter)

    tspsave('measure', v5=v5, vdim=vdim, fdim=fdim)

plt.subplot(1,2,1)
plt.plot(v5, vdim, label='Voltage(V)')
plt.xlabel("V5(V)")
plt.ylabel("Voltage(V)")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()

plt.subplot(1,2,2)
plt.plot(v5, fdim, label='Frequency(Hz)')
plt.xlabel("V5(V)")
plt.ylabel("Frequency(Hz)")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()

plt.show()

v5=[1.00000,1.06061,1.12121,1.18182,1.24242,1.30303,1.36364,1.42424,1.48485,1.54545,1.60606,1.66667,1.72727,1.78788,1.84848,1.90909,1.96970,2.03030,2.09091,2.15152,2.21212,2.27273,2.33333,2.39394,2.45455,2.51515,2.57576,2.63636,2.69697,2.75758,2.81818,2.87879,2.93939,3.00000,3.06061,3.12121,3.18182,3.24242,3.30303,3.36364,3.42424,3.48485,3.54545,3.60606,3.66667,3.72727,3.78788,3.84848,3.90909,3.96970,4.03030,4.09091,4.15152,4.21212,4.27273,4.33333,4.39394,4.45455,4.51515,4.57576,4.63636,4.69697,4.75758,4.81818,4.87879,4.93939,5.00000,5.06061,5.12121,5.18182,5.24242,5.30303,5.36364,5.42424,5.48485,5.54545,5.60606,5.66667,5.72727,5.78788,5.84848,5.90909,5.96970,6.03030,6.09091,6.15152,6.21212,6.27273,6.33333,6.39394,6.45455,6.51515,6.57576,6.63636,6.69697,6.75758,6.81818,6.87879,6.93939,7.00000]
vdim=[0.75404,0.78795,0.82359,0.86051,0.89833,0.93677,0.97563,1.01650,1.05550,1.09520,1.13500,1.17480,1.21500,1.25510,1.29540,1.33620,1.37660,1.41720,1.45770,1.49830,1.53900,1.58000,1.62110,1.66220,1.70330,1.74440,1.78550,1.82680,1.86810,1.90990,1.95130,1.99270,2.03430,2.07590,2.11760,2.15920,2.20100,2.24310,2.28500,2.32700,2.36890,2.41090,2.45290,2.49500,2.53750,2.57990,2.62200,2.66440,2.70690,2.74930,2.79190,2.83500,2.87770,2.92050,2.96350,3.00660,3.04970,3.09290,3.13640,3.18020,3.22370,3.26750,3.31120,3.35500,3.39900,3.44300,3.48750,3.53170,3.57610,3.62040,3.66490,3.70940,3.75410,3.79890,3.84420,3.88920,3.93440,3.97970,4.02520,4.07080,4.11670,4.16300,4.20930,4.25540,4.30190,4.34860,4.39560,4.44250,4.49000,4.53760,4.58540,4.63330,4.68150,4.72990,4.77850,4.82770,4.87740,4.92700,4.97700,5.02730]
fdim=[39487.00000,41198.00391,42554.00000,43606.99609,44416.00000,45030.00000,45494.00000,45849.00000,46095.00000,46264.00391,46376.00000,46436.00000,46455.00000,46439.00000,46393.00391,46321.99609,46231.00000,46119.00000,45988.00000,45844.00000,45687.00000,45518.00391,45339.00391,45152.00000,44955.00000,44753.00000,44543.00000,44326.00000,44104.00000,43875.00000,43644.00000,43409.00000,43171.00000,42926.99609,42682.00000,42433.00000,42181.00000,41925.00000,41669.00000,41412.00000,41152.00000,40890.99609,40627.00000,40360.00000,40090.00000,39820.00000,39551.00000,39280.00000,39005.00391,38731.00000,38453.00000,38172.00000,37893.00391,37610.00000,37327.00000,37041.00000,36756.00000,36469.00000,36179.00000,35886.00000,35595.00000,35302.00000,35008.00000,34711.00000,34415.00391,34118.00000,33819.00000,33520.00000,33221.00000,32921.00000,32622.00195,32317.99805,32015.00000,31711.00000,31405.00195,31101.00000,30795.99805,30488.00000,30179.00195,29869.00000,29557.00195,29241.00000,28926.00000,28610.99805,28292.99805,27975.00000,27655.00195,27334.00000,27007.99805,26683.00391,26357.00195,26028.00000,25699.00000,25367.99805,25035.00000,24698.00000,24357.00195,24017.00000,23675.00000,23330.00000]

1.1.3 理论分析与对比

  如果借助于前面给定的电路工作参数， 理论上计算管脚PIN5电压与555输出电压平均值和频率之间的曲线。

▲ .理论计算输出电压与频率曲线

from headm import *

R1 = 1e3
R2 = 100e3
C = 222e-12

Vcc=9

v5 = linspace(1, 7, 100)

vdim = []
fdim = []

for v in v5:
    tdown = log(2)*R2*C
    tup = log(2/3*Vcc/(Vcc-v))*(R1+R2)*C
    vdim.append(Vcc*tup/(tup+tdown))
    fdim.append(1/(tup+tdown))

plt.subplot(1,2,1)
plt.plot(v5, vdim, label='Voltage(V)')
plt.xlabel("V5(V)")
plt.ylabel("Voltage(V)")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()

plt.subplot(1,2,2)
plt.plot(v5, fdim, label='Frequency(Hz)')
plt.xlabel("V5(V)")
plt.ylabel("Frequency(Hz)")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()

plt.show()

  通过对比，可以看到理论上计算所得到的555的输出频率和占空比（对应着输出电压平均值）与PIN5电压之间的关系， 和实际测量之间还是相差比较大的。

  现在观察到的这种现象，具体原因现在尚未清楚。

1.2 超声调制

1.2.1 超声波发送

  555调频电路，用于超声调制电路。最终将声音嵌入到发送的超声里。 在这个过程中，由于超声波发送与接收器都具有带通特性， 所以不同频率反映到接收信号的幅度上也会出现与频率差呈现比例关系的幅度变化。

  在上面分析中，也可以看到PIN5电压对于555的输出信号在占空比以及频率两个方面都有影响， 因此最终影响到超声波发送信号的幅度变化就比较复杂。

▲ 图1.2.1 555超声调制电路

  在这个过程中，需要通过调整555振荡器的中心频率， 使得555的调制最终反映到输出超声波的幅度上更加接近于线性。

1.2.2 超声信号检测

  为了验证上述，需要通过超声波接收单元，来检测接收到信号的幅度是否出现失真。

  使用一个超声波接收器接收调制后的波形。

▲ 图1.2.2 发送调制与接收到的超声波

  下面显示了发送（左边）， 与接收（右边）在实验台的关系。

▲ 图1.2.3 测量实验台

1.2.3 不同振荡频率

  通过调整555中的R2 使得它的中心频率发生变化， 可以观察接收到的超声波的幅度与调制波形之间的关系。

▲ 图1.2.4 反向调制

▲ 图1.2.5 正向调制

▲ 图1.2.6 左右中心点调制

§02 MIC接收

---

  测试使用普通的驻极体MIC接收调制后的超声波信号。

2.1 驻极体MIC

▲ 图2.1.1 接收超声波的驻极体MIC

▲ 图2.1.2 计算机新路输入录制的波形

※ 总  结 ※

---

  对于555振荡器压控端（PIN5）对于输出信号的占空比 以及频率进行分析和实际测试e.bjdj.gov.cn发现在PIN5电压比较低的时候，会出现频率与理论上计算不同。

  使用超声波接受传感器以及普通的驻极体MIC接收超声波， 它们均会产生相应。 由于非线性，可以在普通MIC输出的信号中解调出低频信号。

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■ 相关文献链接:

• 超声波定向传送：驱动功率电路制作

● 相关图表链接:

• 图1.1 555定时电路
• 图1.1.1 555多谐振荡器
• 图1.1.2 555振荡信号以及计算公式
• 图1.1.3 面包板上的实验电路板
• 图1.1.4 测量555的PIN3（蓝色），PIN2（青色）波形
• 图1.1.5 NE555内部功能结构图
• 图1.1.6 测量PIN5电源对输出电压与频率影响
• 图1.1.7 测量PIN5电源对输出电压与频率影响
• 图1.1.8 重新测量的结果
• .理论计算输出电压与频率曲线
• 图1.2.1 555超声调制电路
• 图1.2.2 发送调制与接收到的超声波
• 图1.2.3 测量实验台
• 图1.2.4 反向调制
• 图1.2.5 正向调制
• 图1.2.6 左右中心点调制
• 图2.1.1 接收超声波的驻极体MIC
• 图2.1.2 计算机新路输入录制的波形