可控掃描電路的設計仿真與驗證

胡 安， 辛增獻， 宗 健， 劉蘇杰

（上海無線電設備研究所，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，自動產生鋸齒波或三角波信號［1］，已被廣泛用于測量、自動控制、通信、無線電廣播等許多技術領域。

現有掃描電路無法對掃描方向進行控制，且掃描范圍調整余地小，不能滿足雷達、導引頭等對掃描電路的特殊要求。本文結合實際需求，采用簡單的觸發器、比較器和積分器，設計了具有方向控制、停止控制、幅度可調的掃描電路，采用PSPICE對該電路進行建模仿真驗證，試驗驗證表明該可控掃描電路有效可靠。

1 經典掃描電路原理

經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放LM747，進行時域仿真，結果如圖2 所示。其中，上圖為掃描電路輸出波形，下圖為A點輸出波形。

圖2 經典掃描電路仿真波形

上電時，電壓比較器根據集成運放輸入兩端口的差異產生負電壓對積分器C1 進行充電，隨著積分器電荷的積累，A 點充電電壓也不斷升高，當達到穩壓管嵌位電壓后，掃描電路進入穩態工作。

掃描電路穩態工作時，比較器送出的充電電壓（A 點），對積分器的電容C1 進行充電，形成線性規律的電壓信號。當該電壓升高到電壓比較器輸入端門限電平時，電壓比較器將會發生正-負翻轉，對積分器按照線性規律反向充電。當該電壓降低到電壓比較器輸入端門限時，電壓比較器將會發生負-正翻轉。在正反饋系統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。

調節電路中R 與C的數值，可以調整掃描周期和幅度，以滿足各種場合對掃描電壓的需求。在上述掃描電路中，通過增加二極管、電阻等改變電路的充放電回路，就可以使電路轉換為鋸齒波掃描電路。

2 可控掃描電路設計

采用滯回電壓比較器和積分器共同形成的掃描電路，能夠實現掃描周期、掃描幅度的調整。但輸出掃描信號周而復始地自動產生，不能控制掃描方向和掃描停止；且掃描轉折的電壓值依靠滯回特性來調整，無法實現掃描上下轉折電壓完全不對稱的應用場合。

為實現掃描信號的可控，可采用圖3所示的電路。

圖3 可控掃描原理

在經典掃描電路的基礎上，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“上轉折”與“下轉折”電壓可調，并送出“轉下掃”或“轉上掃”邏輯指令。

為實現掃描方向控制，需要增加掃描邏輯控制功能模塊，該模塊接收“轉上掃”“轉下掃”和“掃描方向控制指令”，送出“積分方向控制信號”和“掃描方向監測信號”至反饋系統。開關控制功能模塊根據掃描停止指令，將開關切換到懸空狀態，停止積分器的正反充電狀態。根據積分方向控制信號來回切換，使積分器分別工作在正、反向充電狀態。

掃描控制模塊可采用集成電路或小型可編程邏輯器件（CPLD）。為簡化設計，采用JK 觸發器的置位、清零、時鐘、JK 輸入等端口控制掃描方向、轉上掃、轉下掃和積分方向。

另外，選用兩路開關DG390分別完成正反向充電和掃描暫停控制。集成電路LM741與外圍電路實現積分器功能。雙路比較器LM119與外圍電路實現上、下限電壓比較器。可控掃描電路，如圖4所示。

圖4 可控掃描電路

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

a）到達上限時，置位端有效，觸發器輸出邏輯“1”，DG390切換到負電壓，積分器負向充電；

b）到達下限時，清零端有效，觸發器輸出邏輯“0”，DG390切換到負電壓，積分器正向充電。

觸發器J、K 兩端同時接高電平時，充電方向就可以在JK 觸發器時鐘CK 輸入端的控制下進行實時更改。觸發器輸出負端作為掃描方向輸出信號，為系統提供掃描狀態的指示信號。掃描停止信號直接控制第二個DG390，使積分器在“充電”和“保持”之間進行切換。

3 建模仿真與驗證

為驗證設計的有效性，對圖4的原理框圖建立仿真模型，進行仿真驗證。

3.1 仿真模型的建模

為了仿真可控掃描電路功能，分別對電路和信號進行建模。

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Pspice.lib中查找和提取DG390、JK觸發器、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置。

運用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］。

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

圖5 信號源模型輸出曲線

工作時序：

a）0～0.85s為掃描暫停段，設置“掃描停止”有效，驗證掃描停止功能；0.86s～2.05s為掃描有效段，啟動掃描，驗證電路掃描功能；

b）2.06s～2.81s為掃描換向段，首先進行暫停掃描，并在2.31s～2.47s啟動掃描反向控制，驗證掃描方向控制功能；

c）2.82s～4s為反向驗證段，再次啟動掃描，驗證電路反向掃描功能。

根據設計需求，選擇source.olb庫中的VPWL信號源，并進行參數設置，建立這兩個信號源模型。

3.2 仿真驗證與優化

仿真模型建立以后，采用PSPICE 提供的參數掃描功能對掃描電路中各模塊的電容電阻進行優化，最終確定可控掃描電路的相關參數［4］。然后，設置仿真時間長度為4s，運行時域暫態仿真，仿真結果如圖6所示［5］。圖中，自上而下四個分圖分別為置位信號、清零信號、積分方向控制信號和可控掃描輸出信號。

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均為無效狀態，積分器充電端連接在懸空端口，既不能充電，也不能放電，處于掃描停止狀態；

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

c）2.06s～2.81s，處于掃描換向段，在掃描停止控制信號的作用下停止掃描，并在2.47s掃描方向控制信號下降沿，電路產生的積分方向控制信號反向，此時掃描方向為向上；

d）2.82s～4s，處于反向驗證段，在掃描再次啟動時，可以觀察到掃描輸出信號的掃描方向為向下，并沒有按照停止前的方向進行掃描，實現了預期的掃描方向控制功能。

仿真結果表明，該電路實現了電路掃描、停止掃描、掃描換向和反向掃描功能，通過掃描方向控制和掃描停止控制信號，可以實現掃描停止和掃描方向的控制。

3.3 試驗驗證

根據優化后的電路原理圖，研制了可控掃描電路，試驗曲線如圖7所示。

圖7 可控掃描電路測試曲線

可控掃描電路輸出與可控掃描輸出信號的仿真曲線基本一致，實現了預期設計目標。與仿真所不同的，第一次掃描的方向相反，該現象是因為JK 觸發器在初始上電時電壓建立的先后順序不一致。

4 結束語

采用JK 觸發器設計了可控掃描電路，具備了掃描停止、掃描方向、掃描上下限的獨立調整等功能。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替代JK 觸發器時，可實現初始邏輯復位設計。

［1］ 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］ 譚陽紅.基于OrCAD16.3的電子電路分析與設計［M］.北京：國防工業出版社，2011.

［3］ 李永平，儲成偉.PSPICE電路仿真程序設計［M］.北京：國防工業出版社，2006.

［4］ 劉蘇杰.帶通濾波器的優化設計與分析［J］.制導與引信，2005，26（4）：49-52.

［5］ 劉蘇杰.基于PSPICE 的小信號包絡檢波器的虛擬設計［J］.制導與引信，2009，30（1）：30-33.