Может ли LMC555 в схеме автоколебательного ГУН разрядить свой времязадающий конденсатор до нуля?

Постоянный автор раздела «Конструкторские Идеи» Ник Корнфорд недавно опубликовал синергетическую пару статей «ГУН с линейной зависимостью высоты тона. Часть 1 – Начинаем» [1] и «ГУН с линейной зависимостью высоты тона. Часть 2 – Идем дальше» [2].

Основная тема этих статей – методы проектирования аудио ГУН, имеющих экспоненциальную (т.е. линейную по высоте тона) зависимость между управляющим напряжением и частотой. Отличная работа, Ник! Я особенно заинтересовался этой темой во время оживленной дискуссии, завязавшейся в разделе комментариев. Спор шел о том, можно ли построить такой ГУН на основе почтенного аналогового таймера 555. Некоторые говорили «нет», другие – «да». Я склонился к последнему мнению и решил попытаться подкрепить свои слова схемой. Результат на Рисунке 1.

Рисунок 1.	С помощью импульса на входе сброса RST ГУН на таймере 555 полностью разряжает времязадающий конденсатор C1 на отрицательную шину.

Доводы скептиков основывались на предполагаемой неспособности архитектуры 555 полностью разрядить времязадающий конденсатор C1 на Рисунке 1. Казалось бы, у них был веский аргумент, поскольку в обычном режиме работы при пересечении порогового уровня на входе запуска TRG разряд конденсатора C1 заканчивается. Обычно это происходит при одной трети разности напряжений шин питания, а одна треть – это очень далеко от нуля! Но оказывается, что 555, несмотря на то, что он такой старый, знает другой трюк, связанный с очень редко используемой функцией этой древней микросхемы: выводом сброса 4.

В техническом описании 555 указано, что импульс на входе сброса RST имеет приоритет над входом запуска TRG и также принудительно разряжает конденсатор C1. Такой импульс формируется с помощью элементов R3 и C2 на Рисунке 1, когда уровень сигнала на выводе OUT становится низким в конце цикла синхронизации. Произведение R3C2 обеспечивает длительность импульса, достаточную для того, что бы транзистор с сопротивлением открытого канала 15 Ом через вывод DSC точно разрядил конденсатор C1.

И все. Проблема решена, как показано на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Осциллограммы сигналов ГУН; импульсы сброса формируются в конце каждого цикла синхронизации и срабатывают, когда VC1 = VCON, чтобы принудительно полностью разрядить C1. (VC1 – напряжение на конденсаторе C1).

На Рисунке 3 показано полученное в результате удовлетворительное логарифмическое соответствие (в основном благодаря моей бесстыдной краже хитрых соотношений резисторов Ника) схемы на таймере 555. ГУН показывает хорошее экспоненциальное (линейное по высоте тона) поведение в желаемых двух октавах от 250 до 1000 Гц.

Рисунок 3.	График зависимости частоты от управляющего напряжения в логарифмическом масштабе для двухоктавного ГУН, линейного по высоте тона. [Ось X – VCON в вольтах (инвертирована), ось Y – Гц/16 = 250 Гц – 1 кГц].

В принципе, за счет дополнительного резистора можно улучшить линейность настолько, чтобы добавить еще полвольта и пол-октавы на обоих концах диапазона и охватить диапазон от 177 Гц до 1410 Гц. См. Рисунок 4 и Рисунок 5.

Рисунок 4.	Резистор R4 суммирует примерно 6% от VCON с напряжением времязадающего конденсатора C1, чтобы получить улучшение линейности, показанное на Рисунке 5.

Рисунок 5.	Эффект от дополнительного резистора R4, демонстрирующий улучшение линейности. [Ось X – VCON в вольтах (инвертирована), ось Y – Гц/16 = 250 Гц – 1 кГц].

Ссылки

1. Nick Cornford. ГУН с линейной зависимостью высоты тона. Часть 1 – Начинаем
2. Nick Cornford. ГУН с линейной зависимостью высоты тона. Часть 2 – Идем дальше

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments LMC555