Хорошо известно, что модулировать частоту генератора на таймере 555, работающем в автоколебательном режиме, можно с помощью управляющего напряжения (CV), подаваемого на вывод 5. На схеме в верхней части Рисунка 1 показан этот классический генератор, управляемый напряжением (ГУН) на таймере 555.
Модулирование вывода 5 имеет ряд серьезных недостатков: управляющее напряжение (CV) должно быть значительно больше 0 В и меньше V+, иначе генерация прекращается.
В отличие от обычного ГУН, минимальная частота FMIN которого равна 0 Гц при CV = 0 и достигает максимального значения FMAX при максимальном напряжении CV, реакция на напряжение CV классического ГУН на таймере 555 инверсна и нелинейна. Это связано с модуляцией верхнего и нижнего порогов переключения триггера Шмитта, а также с изменением ширины импульса в зависимости от частоты. Полезный диапазон перестройки FMAX/FMIN ограничен примерно 3.
В статье Стивена Вудворда «Может ли LMC555 в схеме автоколебательного ГУН разрядить свой времязадающий конденсатор до нуля?» [1] показаны некоторые остроумные улучшения: линейная по высоте тона зависимость от CV и расширенный до трех октав диапазон, но по-прежнему сохраняются другие недостатки, связанные с «выводом 5».
На схеме в нижней части Рисунка 1 показан новый вариант ГУН с микросхемой 555. Вывод 5 не модулируется, благодаря чему ширина импульса постоянно составляет 50%, и не зависит от частоты.
Посмотрите, пожалуйста, на следующую неразумно спроектированную схему на Рисунке 1.
 | |
| Рисунок 1. | Классический ГУН (вверху) и новый вариант ГУН на таймере 555 (внизу), где вывод 5 не модулируется, что делает ширину импульса постоянной и равной 50%, независимо от частоты. |
С увеличением напряжения CV частота повышается. Допускается значение CV = 0, при котором частота равна FMIN.
Полезный диапазон перестройки, с некоторыми оговорками, указанными ниже, может превышать 100.
Хотя в этой схеме, как и в классическом генераторе на таймере 555, используются всего два резистора и один конденсатор, понять ее немного сложнее. Основная функция добавления части выходных прямоугольных импульсов к пилообразному напряжению на конденсаторе C, позволяющая существенно увеличить частоту, описана в моей недавней статье «RC-генератор на триггере Шмитта с широким диапазоном перестройки» [2].
Там, чтобы добавить часть выходного напряжения к напряжению на конденсаторе, я использую потенциометр.
В новом варианте ГУН на микросхеме 555 напряжение потенциометра заменено внешним напряжением CV, которое прерывается выходным разрядным транзистором микросхемы 555 (вывод 7).
Когда CV = 0, напряжение на правой по схеме обкладке конденсатора C3 также равно 0, и ГУН выдает частоту FMIN. При увеличении CV на правой обкладке C3 появляются прямоугольные импульсы размахом от 0 В (выходной транзистор на выводе 7 открыт) до CV (транзистор закрыт). Как и в упомянутой выше статье, напряжение этих прямоугольных импульсов всегда должно быть меньше напряжения гистерезиса, которое для таймера 555 равно 1/3 напряжения питания, иначе частота FMAX будет стремиться к бесконечности. Вот почему нужно следить за максимальным напряжением CV, если хотите достичь высоких соотношений FMAX/FMIN.
На Рисунке 2 показана смоделированная в QSPICE зависимость частоты от напряжения CV в диапазоне от 0 В до 3.9 В с шагом 100 мВ.
 | |
| Рисунок 2. | Смоделированная в QSPICE зависимость частоты от напряжения CV в диапазоне от 0 В до 3.9 В с шагом 100 мВ. |
Прототип схемы с указанными на Рисунке 1 номиналами компонентов был собран на беспаечной макетной плате и испытан при напряжении питания V+ = 12 В. Приблизительно измеренная зависимость частоты от напряжения CV была нанесена красными точками поверх смоделированной кривой на Рисунке 2.
На Рисунке 3 показан скриншот экрана осциллографа для FMIN.
 | |
| Рисунок 3. | Скриншот экрана осциллографа для FMIN: выходное напряжение (желтый), CV = 0 (пурпурный). |
В заключение отметим, что в новой схеме ГУН на основе таймера 555 без использования дополнительных компонентов устранены некоторые недостатки классической версии, такие как ограниченный диапазон напряжения CV, обратная зависимость частоты от CV и изменяющаяся ширина импульса. К сожалению, зависимость частоты от напряжения CV по-прежнему остается нелинейной. Возможно, использование петли обратной связи с операционным усилителем и простым зарядовым насосом позволит решить эту проблему, но количество микросхем увеличится до двух.