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1、555时基电路构成的压控振荡器摘要：555电路是集模拟电路和数字电路于一体的集成电路，是在上世纪70年代，为制作定时器而被设计制造的。该电路具有灵活的引出端脚，使用者尽用其能， 将其广泛运用于电子行业的各个领域内，并且该电路在科研、仪表、测量、控制等诸多领域内也得到了广泛的应用。本文主要从原理和应用两个方面讲述由555无稳态多谐振荡器电路构成的压控振荡器。关键词：1、引言如今，555时基电路得到如此广泛的应用，这得益于该电路本身独特的优越性。按照555电路的应用特点，以数字电路的分类方法作为基本方式，可将其分为：多谐振荡器的应用方式、单稳态电路的应用方式、双稳态（R-S触发器）电路的应用方式以
2、及施密特电路的应用方式。本文要讨论的压控振荡器是一种结构特殊的多谐振荡器，全称为电压控制的多谐振荡器，简称VCO。由555电路构成的压控振荡器具有电路简单、成本低、产生脉冲波形的线 性度好等特点，因此压控振荡器电路在锁相技术、A/D转换、脉冲调制及遥测技术中有广泛的用途，是一种十分重要的电路。2、555电路原理图分压器THR&Q1/&cG2R4比较器R-S触发器输出级88 -ucGND放电电子开关整个原理电路图有 5个部分组成，这5个部分可以分为三大部分进行解释：(1) 分压器与比较器三个等值电阻(每个5K Q)串联进行分压，将电源电压分别分压为 Ucc/3和2Ucc/3。 其中2Ucc/3加
3、至电压比较器 Ai的同相输入端，作为它的参考电压；Ucc/加之电压比较器A2的反相输入端，作为它的参考电压。A. A2是由两个差分电路组成的电压比较器，相当于两个运算放大器的输入电路。这两个参考电压决定了555电路的输入特性。上述原理电路图有两个输入端，分别称为触发端(TR、2脚)和阀值端(TH、6脚)，它们分别是 A2的同相输入端和 A1的反相输入端。根据电压比较器的工作原理： 当对输入端2脚上加上低于 Ucc/3的输入电压时，比较器 A2输出低电平；当加上高于 Ucc/3的输入电压时，A2输出高电平。对于输入端 6脚，当对其加上低于 2Ucc/3的输入 电压时，Ai输出高电平；当对其加上高
4、于2Ucc/3的输入电压时，Ai输出低电平。(2) 基本R-S触发器在数字电路中，触发器分为同步 R-S触发器和基本R-S触发器，555电路中使用 是基本R-S触发器。这种触发器由两个非门交叉连接组成， 它的特点是需要低电平触发， 即只有在输入端加以低电平或负脉冲，触发器才能翻转。它的逻辑功能是：当 R=0, S=1时，不管触发器原来是什么状态，都会被置成低电 平0的状态；当R= 1,S= 0时，触发器被置成高电平1的状态；当R= 1,S= 1时，触发器保持原状态不变；当 R=0,S= 0时，触发器的状态不定，不过这种状态是不允许出现的，也 是不可能出现的。(3) 输出级2为了提高555电路带
5、负载的能力，使其能够直接驱动一定功率的负载，并且隔离负 载对定时器的影响，在它的R-S触发器之后加入了一级输出级G3。该输出级 G3将R-S触发器的输出电平进行反相，并同时给予一定的功率放大后输出，这就使得555电路可以直接驱动小型继电器、扬声器等。(4) 放电电子开关在由555电路组成的定时定路及各类触发器和振荡器中，它们的工作状态都和电容 器的充、放电有关。例如在定时电路中，通常把上比较器的输入端TH (6脚)接到只电容c的正极。这个电容又通过一只串联电阻R接到电源的正极。工作时，电源通过电阻R向电容c充电，当电容充电使其电压达到阀值电平后，比较器Ai输出低电平，触发器R-S翻转，它的输出
6、端变为高电平，经过一级反相器反相为低电平后作为一种控制信 号输出，实现对电路的一种工作状态的控制。(5 ) 555定时器的基本功能 R=0，无论其他输入为何值(用X表示)，必有Q= 1, Uo为低电平0, Td饱和导通，故R端称为置0端或复位端。 R =1, Uth2Ucc/3、UTRUcc/3 时，Uoi 为低电平，U02 为咼电平，使 Q = 1、Q=0, Uo为低电平0, Td饱和导通。 R=1, UthUcc/3时，Uoi和U2均为高电平，基本R-S触发器维 持原状态，故 Uo和Td也维持原状态。 R = 1， Uth2Ucc/3、U TR 2Ucc/3Ucc/31Uol导通Ucc/3
7、1不变不变2Ucc/3Ucc/31Uoh截止表1、555定时器的功能表3、压控振荡器(1)压控振荡器的组成原理图(a)(b)图2、由555电路组成的压控振荡器压控振荡器的组成原理如图 2所示，其中图(a)是模拟一个电压可变的工作电源加至控 制 端5脚；图(b)是用一只电位器 RP，通过RP对控制信号源电压进行调节，将调节后 的电压加至控制端 5脚。两电路结构不尽相同，但其原理是一样的。上述压控振荡器的控制电压加在555电路的UC端，即第5脚，它对振荡电路振荡频率的控制过程如下。从555电路的内部结构可知，这个控制端UC电压是取自3只分压电阻Ri与R2间，即取自比较器Ai的同相输入端。UC端的固
8、定电压即比较器 Ai的参考电压，由电路内的 3只分压电阻决定，为固定的2Ucc/3。如果对UC端另加一个随时变化的电压，那么这个参考电压就不再是固定的 2Ucc/3，而是一个随外加电压变化的参考电压。在多种多谐振荡器中，5脚总是通过一只电容接地的，其目的是防止外界杂波的干扰使5脚电压发生变化，以使其保持一个稳定的2Ucc/3。而在压控振荡器电路中，5脚则是用来加入控制电压的。当对5脚加上不同的控制电压后，两个比较器的参考电压就发生了变化，555电路的阀值电压和触发电压就跟着发生变化，整个振荡电路的振荡频率也就随之发生了变 化。5 在555电路的实验过程中，它有一个接通电压Ut+和一个断开电压
9、Ut-，它们分别是Ut+=2Ucc/3和Ut-=Ucc/3。这一工作特性是当 Uct=O时的情况。在这一情况下，振荡电路的 输出脉冲频率可按公式111.443”f式T 0.7(Ra 2Rb)C (Ra 2Rb)C计算。当UC端加上某一控制电压后，例如加上低于2Ucc/3的电压时，电路的阀值电压 Uth (艮卩Ut+ )跟着发生变化，使 Uth变为Uct， Utr变为Uct/2。由于新的阀值电压比原来的阀值电 压要低，所以电容 C充电到新的阀值电压所需的时间比原来需要的时间要短。而电容C的放电时间是和 Ut+与U的比值有关的，虽然新的阀值电压低了，但他们的比值不变，所以 放电时间不变。这样，就使
10、得新的输出波形的脉冲周期t1和T变短了，也就是振荡频率变快了。曲线如图36所示。根据上述分析指导， 如果在控制端 UC上加上高于2Ucc/3的电压，则输出波形的脉冲周期ti和T要变长，对应的振荡频率就会变低。综上所述，当对UC端加上低于2Ucc/3的控制电压后，会使输出脉冲的周期ti和T变短, 振荡频率加快；反之，当对UC断加上了高于2Ucc/3的控制电压后，会使输出脉冲的周期ti和T变长，振荡频率变低。压控振荡器就是根据这一原理工作的。在具体的实用电路中， 加在5脚的控制电压有各种各样的形式，随着电路在不同的应用处所而不同。4、压控振荡器的应用（1）在脉宽调制电路中的应用脉宽调制就是将输入交
11、流信号的电压变化变化为脉冲宽度的变化，而脉冲宽度的变化实际上就是占空比q的变化，占空比由下式确定Ra RbRa 2RB式。其中，Ra和Rb为图2所示电路中的电阻元件。如果将555时基电路按间接反馈式多谐振荡器的方式连接好，并使得RbRa。这样,所接好的电路输出的就近似为方波信号。如果进一步在5脚电压控制端加上音频调制电压Ui，由于所加的Ui电压变化会改变555电路的阀值电压，这样，555电路输出地脉冲宽度就 会随着音频电压的幅度变化而变化，从而实现了对脉冲的宽度进行调制的目的。（2）在锁相环路中的应用锁相环是一种由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成的环路。锁相环路是一个闭合的相位反馈系统
12、，其构成图如下图所示。图4、锁相环路的构成方框图当没有输入信号，即 Ui=0时，压控振荡器输出的是其固有的中心频率f。当有Ui信号加到压控振荡器输入端时，压控振荡器输出信号的相位怯在鉴相器中和输入信号的相位 Q进行比较，产生一个与相位误差有关的直流电压Ud,该信号经环路滤波器滤除高频成分后作为压控振荡器的控制电压 Uct。这样，压控振荡器在控制电压Uct的控制下，使其输出信号 Uo的频率逐渐向输入信号Ui的频率逼近，因此差拍频率越来越小，直至为零。上述过程通常也叫做“跟踪”或者“捕 捉”。经过跟踪或捕捉过程后，最终就会使压控振荡器的输出频率与输入信号的频率完全同 步达到稳定。当压控振荡器是接收
13、机中的本地振荡器时，利用锁相环路就可以是本地振荡器的振荡频率与远处发射的高频信号频率达到一致，以使接收到的广播或电视信号稳定。5、结论本文经过对555时基电路的原理进行基本的讨论，讲述了555时基电路在组成压控电路时的原理及其重要性，说明了555时基电路作为一种基本电路的广泛用途。555时基电路不 仅能组成压控振荡器，压控振荡器也不仅仅只有上述两种应用，事实上， 555 电路在日常生 活中的应用已无处不在。 555 电路作为一种如此被广泛应用的电路，对它的研究必然会带来 更多的实际益处。参考文献【1】【2】【3】肖景和 555 集成电路应用精粹【4】朱承高 贾学堂 郑益慧 等 电工学概论（第二版） 【5】【 6】【7】孙余凯 吴鸣山 项绮明 等 555 时基电路识图