可控掃描電路的設(shè)計(jì)仿真與驗(yàn)證

胡 安， 辛增獻(xiàn)， 宗 健， 劉蘇杰

（上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

掃描電路使用電壓比較器和積分器形成正反饋回路，自動(dòng)產(chǎn)生鋸齒波或三角波信號(hào)［1］，已被廣泛用于測(cè)量、自動(dòng)控制、通信、無(wú)線電廣播等許多技術(shù)領(lǐng)域。

現(xiàn)有掃描電路無(wú)法對(duì)掃描方向進(jìn)行控制，且掃描范圍調(diào)整余地小，不能滿足雷達(dá)、導(dǎo)引頭等對(duì)掃描電路的特殊要求。本文結(jié)合實(shí)際需求，采用簡(jiǎn)單的觸發(fā)器、比較器和積分器，設(shè)計(jì)了具有方向控制、停止控制、幅度可調(diào)的掃描電路，采用PSPICE對(duì)該電路進(jìn)行建模仿真驗(yàn)證，試驗(yàn)驗(yàn)證表明該可控掃描電路有效可靠。

1 經(jīng)典掃描電路原理

經(jīng)典掃描電路主要由電壓比較器和積分器組成，如圖1所示。

圖1 掃描電路原理圖

為了分析掃描電路工作原理，在PSPICE 中建立圖1所示的仿真模型［2］。積分器和放大器采用雙運(yùn)放LM747，進(jìn)行時(shí)域仿真，結(jié)果如圖2 所示。其中，上圖為掃描電路輸出波形，下圖為A點(diǎn)輸出波形。

圖2 經(jīng)典掃描電路仿真波形

上電時(shí)，電壓比較器根據(jù)集成運(yùn)放輸入兩端口的差異產(chǎn)生負(fù)電壓對(duì)積分器C1 進(jìn)行充電，隨著積分器電荷的積累，A 點(diǎn)充電電壓也不斷升高，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)壓管嵌位電壓后，掃描電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作。

掃描電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，比較器送出的充電電壓（A 點(diǎn)），對(duì)積分器的電容C1 進(jìn)行充電，形成線性規(guī)律的電壓信號(hào)。當(dāng)該電壓升高到電壓比較器輸入端門(mén)限電平時(shí)，電壓比較器將會(huì)發(fā)生正-負(fù)翻轉(zhuǎn)，對(duì)積分器按照線性規(guī)律反向充電。當(dāng)該電壓降低到電壓比較器輸入端門(mén)限時(shí)，電壓比較器將會(huì)發(fā)生負(fù)-正翻轉(zhuǎn)。在正反饋系統(tǒng)和滯回電壓比較器的共同作用下，最終輸出三角波掃描電壓。

調(diào)節(jié)電路中R 與C的數(shù)值，可以調(diào)整掃描周期和幅度，以滿足各種場(chǎng)合對(duì)掃描電壓的需求。在上述掃描電路中，通過(guò)增加二極管、電阻等改變電路的充放電回路，就可以使電路轉(zhuǎn)換為鋸齒波掃描電路。

2 可控掃描電路設(shè)計(jì)

采用滯回電壓比較器和積分器共同形成的掃描電路，能夠?qū)崿F(xiàn)掃描周期、掃描幅度的調(diào)整。但輸出掃描信號(hào)周而復(fù)始地自動(dòng)產(chǎn)生，不能控制掃描方向和掃描停止；且掃描轉(zhuǎn)折的電壓值依靠滯回特性來(lái)調(diào)整，無(wú)法實(shí)現(xiàn)掃描上下轉(zhuǎn)折電壓完全不對(duì)稱的應(yīng)用場(chǎng)合。

為實(shí)現(xiàn)掃描信號(hào)的可控，可采用圖3所示的電路。

圖3 可控掃描原理

在經(jīng)典掃描電路的基礎(chǔ)上，將電壓比較器分為掃描上限比較器和掃描下限比較器，使掃描波形的“上轉(zhuǎn)折”與“下轉(zhuǎn)折”電壓可調(diào)，并送出“轉(zhuǎn)下掃”或“轉(zhuǎn)上掃”邏輯指令。

為實(shí)現(xiàn)掃描方向控制，需要增加掃描邏輯控制功能模塊，該模塊接收“轉(zhuǎn)上掃”“轉(zhuǎn)下掃”和“掃描方向控制指令”，送出“積分方向控制信號(hào)”和“掃描方向監(jiān)測(cè)信號(hào)”至反饋系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)控制功能模塊根據(jù)掃描停止指令，將開(kāi)關(guān)切換到懸空狀態(tài)，停止積分器的正反充電狀態(tài)。根據(jù)積分方向控制信號(hào)來(lái)回切換，使積分器分別工作在正、反向充電狀態(tài)。

掃描控制模塊可采用集成電路或小型可編程邏輯器件（CPLD）。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采用JK 觸發(fā)器的置位、清零、時(shí)鐘、JK 輸入等端口控制掃描方向、轉(zhuǎn)上掃、轉(zhuǎn)下掃和積分方向。

另外，選用兩路開(kāi)關(guān)DG390分別完成正反向充電和掃描暫?？刂?。集成電路LM741與外圍電路實(shí)現(xiàn)積分器功能。雙路比較器LM119與外圍電路實(shí)現(xiàn)上、下限電壓比較器?？煽貟呙桦娐?，如圖4所示。

圖4 可控掃描電路

積分器輸出信號(hào)加至上、下限電壓比較器，分別與+VR、-VR比較，形成JK 觸發(fā)器的置位、清零信號(hào)：

a）到達(dá)上限時(shí)，置位端有效，觸發(fā)器輸出邏輯“1”，DG390切換到負(fù)電壓，積分器負(fù)向充電；

b）到達(dá)下限時(shí)，清零端有效，觸發(fā)器輸出邏輯“0”，DG390切換到負(fù)電壓，積分器正向充電。

觸發(fā)器J、K 兩端同時(shí)接高電平時(shí)，充電方向就可以在JK 觸發(fā)器時(shí)鐘CK 輸入端的控制下進(jìn)行實(shí)時(shí)更改。觸發(fā)器輸出負(fù)端作為掃描方向輸出信號(hào)，為系統(tǒng)提供掃描狀態(tài)的指示信號(hào)。掃描停止信號(hào)直接控制第二個(gè)DG390，使積分器在“充電”和“保持”之間進(jìn)行切換。

3 建模仿真與驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，對(duì)圖4的原理框圖建立仿真模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

3.1 仿真模型的建模

為了仿真可控掃描電路功能，分別對(duì)電路和信號(hào)進(jìn)行建模。

可控掃描電路的建模就是在PSPICE 軟件支持下，用元器件仿真模型搭建電路圖。按圖4從軟件仿真庫(kù)Pspice.lib中查找和提取DG390、JK觸發(fā)器、LM741、LM119以及外圍電阻、電容和電源器件，并完成電容電阻阻值的設(shè)置。

運(yùn)用PSPICE提供的繪圖工具，完成這些元器件之間的互連，即形成可控掃描電路的仿真模型［3］。

用仿真信號(hào)源模擬電路的兩個(gè)輸入信號(hào)：掃描停止（DG390 的輸入控制信號(hào)）和掃描方向控制（JK 觸發(fā)器CK 輸入信號(hào)）信號(hào)，如圖5所示。其中上圖為掃描方向控制信號(hào)，下圖為掃描停止控制信號(hào)。

圖5 信號(hào)源模型輸出曲線

工作時(shí)序：

a）0～0.85s為掃描暫停段，設(shè)置“掃描停止”有效，驗(yàn)證掃描停止功能；0.86s～2.05s為掃描有效段，啟動(dòng)掃描，驗(yàn)證電路掃描功能；

b）2.06s～2.81s為掃描換向段，首先進(jìn)行暫停掃描，并在2.31s～2.47s啟動(dòng)掃描反向控制，驗(yàn)證掃描方向控制功能；

c）2.82s～4s為反向驗(yàn)證段，再次啟動(dòng)掃描，驗(yàn)證電路反向掃描功能。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，選擇source.olb庫(kù)中的VPWL信號(hào)源，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，建立這兩個(gè)信號(hào)源模型。

3.2 仿真驗(yàn)證與優(yōu)化

仿真模型建立以后，采用PSPICE 提供的參數(shù)掃描功能對(duì)掃描電路中各模塊的電容電阻進(jìn)行優(yōu)化，最終確定可控掃描電路的相關(guān)參數(shù)［4］。然后，設(shè)置仿真時(shí)間長(zhǎng)度為4s，運(yùn)行時(shí)域暫態(tài)仿真，仿真結(jié)果如圖6所示［5］。圖中，自上而下四個(gè)分圖分別為置位信號(hào)、清零信號(hào)、積分方向控制信號(hào)和可控掃描輸出信號(hào)。

從圖6可以看出：

圖6 可控掃描電路仿真曲線

a）0～0.85s，處于掃描停止段，置位、清零、積分方向控制和掃描輸出信號(hào)均為無(wú)效狀態(tài)，積分器充電端連接在懸空端口，既不能充電，也不能放電，處于掃描停止?fàn)顟B(tài)；

b）0.86s～2.05s，處于掃描有效段，置位信號(hào)在掃描輸出電壓到達(dá)正向最大值時(shí)，送出短時(shí)脈沖，積分方向控制信號(hào)反向，掃描輸出信號(hào)隨之更換掃描方向，清零信號(hào)在掃描輸出電壓到達(dá)正向最大值時(shí)，送出短時(shí)脈沖，掃描輸出信號(hào)再次更換掃描方向；

c）2.06s～2.81s，處于掃描換向段，在掃描停止控制信號(hào)的作用下停止掃描，并在2.47s掃描方向控制信號(hào)下降沿，電路產(chǎn)生的積分方向控制信號(hào)反向，此時(shí)掃描方向?yàn)橄蛏希?/p>

d）2.82s～4s，處于反向驗(yàn)證段，在掃描再次啟動(dòng)時(shí)，可以觀察到掃描輸出信號(hào)的掃描方向?yàn)橄蛳?，并沒(méi)有按照停止前的方向進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的掃描方向控制功能。

仿真結(jié)果表明，該電路實(shí)現(xiàn)了電路掃描、停止掃描、掃描換向和反向掃描功能，通過(guò)掃描方向控制和掃描停止控制信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)掃描停止和掃描方向的控制。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化后的電路原理圖，研制了可控掃描電路，試驗(yàn)曲線如圖7所示。

圖7 可控掃描電路測(cè)試曲線

可控掃描電路輸出與可控掃描輸出信號(hào)的仿真曲線基本一致，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。與仿真所不同的，第一次掃描的方向相反，該現(xiàn)象是因?yàn)镴K 觸發(fā)器在初始上電時(shí)電壓建立的先后順序不一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用JK 觸發(fā)器設(shè)計(jì)了可控掃描電路，具備了掃描停止、掃描方向、掃描上下限的獨(dú)立調(diào)整等功能。這種掃描方法即適用于三角波掃描電路，也可用于鋸齒波掃描電路。

采用可編程邏輯器件來(lái)替代JK 觸發(fā)器時(shí)，可實(shí)現(xiàn)初始邏輯復(fù)位設(shè)計(jì)。

［1］ 童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］ 譚陽(yáng)紅.基于OrCAD16.3的電子電路分析與設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

［3］ 李永平，儲(chǔ)成偉.PSPICE電路仿真程序設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［4］ 劉蘇杰.帶通濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析［J］.制導(dǎo)與引信，2005，26（4）：49-52.

［5］ 劉蘇杰.基于PSPICE 的小信號(hào)包絡(luò)檢波器的虛擬設(shè)計(jì)［J］.制導(dǎo)與引信，2009，30（1）：30-33.