《電子技術應用》
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基于PSpice的階梯波發生器分析與設計
摘要: PSpice通用電路仿真軟件目前已廣泛地應用于電子線路的設計中,因此在電子技術的教學與實驗中也應充分重視PSpice的學習和運用。對于電路設計,采用仿真的手段,可以大量地減少硬件調試過程中出現的各種問題,易于電路的實現。
Abstract:
Key words :

  1 引言

  PSpice通用電路仿真軟件目前已廣泛地應用于電子線路的設計中,因此在電子技術的教學與實驗中也應充分重視PSpice的學習和運用。對于電路設計,采用仿真的手段,可以大量地減少硬件調試過程中出現的各種問題,易于電路的實現。

  2 階梯波發生器的設計

   階梯波發生器的應用很廣泛,設計方法也很多,本文采用模擬電路中的基本模塊電路進行階梯波的設計,是為了便于利用PSpice對各功能電路及整個系統進行深入的分析。原理框圖如圖1所示。

階梯波發生器的設計

   階梯波發生器的電路如圖2所示。

階梯波發生器電路

  2.1 方波發生器

  方波發生器由反向輸入的滯回比較器(U1及外圍元件構成)和R4C1構成,其中滯回比較器的閾值電壓
 閾值電壓
式中Vz為穩壓管的穩壓值。電容器的最高充電電壓和最低放電電壓即是兩個閾值電壓的值。輸出方波周期
 輸出方波周期
通過調節相關參數可改變電路的振蕩頻率。

  圖3所示為利用PSpice仿真的電容上電壓的波形以及方波發生器的輸出振蕩波形。

電容上電壓的波形以及方波發生器的輸出振蕩波形

   2.2 微分與限幅電路

  微分電路采用簡單的電路形式,由C2和D 8及與之并聯的負載構成,要求電容充放電的時間常數遠小于輸入方波的周期,使電容C2上電壓近似等于輸入方波的波形。圖4的仿真波形分別為微分電路輸出的波形、電容C2電壓波形及輸入方波的波形。

微分與限幅電路

  限幅電路主要由二極管D7構成,將微分電路形成的反向尖脈沖削掉。D8也兼作反向限幅的作用,限幅電路輸出波形如圖5所示。

限幅電路輸出波形

  2.3 積分累加電路

 

  積分累加電路由U2、R5和C3構成,將限幅電路輸出的尖脈沖進行積分累加,從而輸出階梯波,為實現周期性的階梯波,采用電子開關電路對累加器進行控制,當C3上電壓累加到規定值,對其進行放電。輸出階梯波的階梯數可由C3與C2的比值進行控制。

  2.4 電子開關電路與比較器

  電子開關在這里由結型場效應管J2N4393擔任,其導通和截止由比較器輸出電壓控制。J2N4393的PSpice模型參數如下:
.model J2N4393 NJF(Beta=9.109m Betatce="-".5 Rd= 1 Rs= 1 Lambda="6m" Vto="-1".422
+ Vtotc="-2".5m Is="205".2f Isr= 1.988p N = 1 Nr= 2 Xti="3" Alpha="20".98u
+ Vk="123".7 Cgd="4".57p M=.4069 Pb="1" Fe=.5 Cgs="4".06p Kf="123E-18"
+ Af="1")
其中夾斷電壓Vto的值主要決定了飽和漏極電流,間接地影響了積分器中C3的放電是否徹底,因此本文采用Vto作為參數,對J2N4393的轉移特性進行了參數掃描仿真,如圖6所示。

參數掃描仿真

    Vto分別取值為-2、-1.5、-1、-0.5、0V下的轉移特性曲線仿真如圖7所示。

轉移特性曲線仿真

  通過仿真確定了當Vto=-0.5V,飽和漏極電流為2.5mA時,可獲得較好的階梯波輸出波形,如圖8所示。

階梯波輸出波形

  比較器電路主要由U3及其外圍元件構成,也構 成了滯回比較器,閾值電壓分別約為0v和-10V。其輸出控制電子開關的導通與截止,同時通過D4也控制了方波發生器,使得電子開關導通的同時開始一個新的階梯波周期。比較器輸出波形如圖9所示。

比較器輸出波形

  輸出階梯波的波形如圖10所示。

輸出階梯波的波形
 

  3 結語

  在利用PSpice對階梯波發生器進行仿真分析的基礎上,進行了硬件的安裝和調試,誤差范圍內輸出波形與仿真結果相同。PSpice在這里作為一個軟件的實驗平臺,對硬件電路的調試具有很強的指導作用,可使調試少走很多彎路,并有助于學生對電路的深入理解。

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