基于PSpice的阶梯波发生器分析与设计

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。

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

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

输出阶梯波的波形如图10所示。

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。