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[嵌入式/ARM] 基于PSpice的阶梯波发生器分析与设计

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admin 发表于 2013-3-23 19:41:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  1 引言
     PSpice通用电路仿真软件目前已广泛地应用于电子线路的设计中,因此在电子技术的教学与实验中也应充分重视PSpice的学习和运用。对于电路设计,采用仿真的手段,可以大量地减少硬件调试过程中出现的各种问题,易于电路的实现。
     2 阶梯波发生器的设计
      阶梯波发生器的应用很广泛,设计方法也很多,本文采用模拟电路中的基本模块电路进行阶梯波的设计,是为了便于利用PSpice对各功能电路及整个系统进行深入的分析。原理框图如图1所示。
   
      阶梯波发生器的电路如图2所示。
    20121107051223152661152.jpg
     2.1 方波发生器
     方波发生器由反向输入的滞回比较器(U1及外围元件构成)和R4C1构成,其中滞回比较器的阈值电压
   20121107051223402651153.jpg
式中Vz为稳压管的稳压值。电容器的最高充电电压和最低放电电压即是两个阈值电压的值。输出方波周期
   20121107051223418281154.jpg
通过调节相关参数可改变电路的振荡频率。
     图3所示为利用PSpice仿真的电容上电压的波形以及方波发生器的输出振荡波形。
    20121107051223433901155.jpg
      2.2 微分与限幅电路
     微分电路采用简单的电路形式,由C2和D 8及与之并联的负载构成,要求电容充放电的时间常数远小于输入方波的周期,使电容C2上电压近似等于输入方波的波形。图4的仿真波形分别为微分电路输出的波形、电容C2电压波形及输入方波的波形。
    20121107051223480781156.jpg
     限幅电路主要由二极管D7构成,将微分电路形成的反向尖脉冲削掉。D8也兼作反向限幅的作用,限幅电路输出波形如图5所示。
    20121107051223512031157.jpg
     2.3 积分累加电路     
     积分累加电路由U2、R5和C3构成,将限幅电路输出的尖脉冲进行积分累加,从而输出阶梯波,为实现周期性的阶梯波,采用电子开关电路对累加器进行控制,当C3上电压累加到规定值,对其进行放电。输出阶梯波的阶梯数可由C3与C2的比值进行控制。
     2.4 电子开关电路与比较器
     电子开关在这里由结型场效应管J2N4393担任,其导通和截止由比较器输出电压控制。J2N4393的PSpice模型参数如下:
.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")
其中夹断电压Vto的值主要决定了饱和漏极电流,间接地影响了积分器中C3的放电是否彻底,因此本文采用Vto作为参数,对J2N4393的转移特性进行了参数扫描仿真,如图6所示。
    20121107051223527651158.jpg
       Vto分别取值为-2、-1.5、-1、-0.5、0V下的转移特性曲线仿真如图7所示。
    20121107051223558901159.jpg
     通过仿真确定了当Vto=-0.5V,饱和漏极电流为2.5mA时,可获得较好的阶梯波输出波形,如图8所示。
    20121107051223590151160.jpg
     比较器电路主要由U3及其外围元件构成,也构 成了滞回比较器,阈值电压分别约为0v和-10V。其输出控制电子开关的导通与截止,同时通过D4也控制了方波发生器,使得电子开关导通的同时开始一个新的阶梯波周期。比较器输出波形如图9所示。
    20121107051223621401161.jpg
     输出阶梯波的波形如图10所示。
    20121107051223652651162.jpg
  
     3 结语
     在利用PSpice对阶梯波发生器进行仿真分析的基础上,进行了硬件的安装和调试,误差范围内输出波形与仿真结果相同。PSpice在这里作为一个软件的实验平台,对硬件电路的调试具有很强的指导作用,可使调试少走很多弯路,并有助于学生对电路的深入理解。
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