С помощью аналогового переключателя таймер 555 превращен в широтно-импульсный модулятор

Излагается новый подход к управлению скважностью импульсов генератора, построенного на таймере 555. Широкий диапазон модуляции и высокая линейность управления скважностью делают схему идеально подходящей для приложений, основанных на использовании ШИМ (широтно-импульсной модуляции). На Рис.1 показана исходная схема, которая работает следующим образом. Когда на выходе микросхемы IC₁ устанавливается высокий уровень, ключ S₁ закрывается, а внутренний разрядный ключ S₂ микросхемы открывается. Конденсатор C₁ разряжается через резисторы R₁ и R₂. Выход IC₁ переходит в ноль, ключ S₁ открывается, а S₂ закрывается и разряжает конденсатор C₁ через R₁ и R₃.

Рисунок 1. Внешний аналоговый ключ и таймер 555 образуют
автоколебательный мультивибратор с фиксированной скважностью импульсов.

Там где требуется фиксированное значение скважности, такая схема работает хорошо. Чтобы управлять скважностью импульсов, надо подключить потенциометр R₄ к общей точке резисторов R₁, R₂, и R₃, как показано на Рис. 2. Скважность выходных импульсов D_TC будет определяться уравнением

D_TC=(R₁+R₂+R_VAR)/(R₁+2R₂+R₃+R_POT)

где R_POT – сопротивление между крайними выводами потенциометра, а R_VAR – часть сопротивления потенциометра R_POT между движком и R₁. Как видно из уравнения, D_TC зависит от R_VAR линейно. Ключ S₁ представляет собой одну из секций КМОП микросхемы IC₂ счетверенного двунаправленного ключа 4066.

Рисунок 2. Для ручного управления скважностью необходимо добавить потенциометр R4

Для того, чтобы получить хорошую линейность скважности, можно воспользоваться схемой, изображенной на Рис. 3. Роторный переключатель и цепочка резисторов по 16 кОм с отводами от точек их соединения, позволяют изменять скважность 10 кГц импульсов от 2 до 98% через девять равных дискретных значений. Для достижения высокой точности необходимо резисторы R₄…R₁₁ тщательно подобрать по номиналам, используя мультиметр с разрешением 5½ разрядов, а для измерения скважности D_TC использовать осциллограф Tektronix 3012, или эквивалентный ему.

Рисунок 3. Если использовать роторный переключатель
и цепочку прецизионных резисторов, можно получить
генератор с фиксированным набором значений скважности
и высокой линейностью.

Анализ линейности выполнен с использованием электронной таблицы Microsoft Excel, с помощью которой, на основе совокупности измерений скважности, получено следующие уравнение линии тренда:

D_TC=0.7565×R_VAR+2.1548; R₂=1.

Расчеты в Excel показывают, что при R₂=1 передаточная функция весьма линейна. Немного влияет на зависимость D_TC от R_VAR сопротивление открытого ключа S₁ и сопротивление утечки закрытого, но уравнение остается строго линейным. Если использовать только один из четырех ключей IC₂, зависимость от тока утечки и взаимное влияние ключей будут устранены. Еще больше уменьшить эффект влияния токов утечки на характеристики схемы можно, уменьшив (в разумных пределах) номиналы резисторов в цепочке.