利用OrCAD/PSpice A/D仿真技术

haidaowang

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三相步进电机驱动电路的电路图，分析它的结构：首先由555脉冲发生器产生脉冲信号out，信号的周期和脉冲宽度由R5、C3、C4的值的大小来调整；脉冲信号out作为D触发器的时钟信号，由3个D触发器构成三相信号发生器，产生三个相位相差120度的脉冲信号A、B、C；A、B、C信号分别经过三态门，对电机电路进行控制。三态门可作为A、B、C信号的开关，控制A、B、C驱动信号的通断。其中L1、L2、L3为电机的三个绕组。R2、C1的值控制三相信号发生器的信号发生延迟时间，来配合555脉冲发生器的稳定时间。
---- 下面，我们利用orcad/Pspice A/D仿真功能对其电路参数R5、C3、C4、C1、R2的值进行验正。
---- 一、 绘制原理图
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图1 ---- 新建一个Project（file/new/project），选中Analog or Mixed-Signal Circuit选项，然后从OrCAD/Capture/Library/Pspice子目录中的元件库调用元器件，绘制电路图。
) [$ R* c7 K+ H- d/ X8 F---- 二、 开始仿真
! \0 b+ u, f( w3 S* B" P- |% d: U---- 仿真之前，必须先建立仿真参数设置文件，点击PSpice/New Simulation Profile，新建仿真参数设置文件。
---- 打开仿真参数设置对话框，设置仿真参数。因为电路的主要功能体现在瞬态分析中，所以电路仿真类型设置为Time Domain (Transient)；考虑R2 、C1的延迟作用以及555时钟脉冲发生器的稳定时间，仿真结束时间定为1S；起始时间从0S开始，以便观察系统的稳定时间；仿真步长使用系统默认值。如图2所示。

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图2 ---- 点击OK按钮关闭仿真参数设置对话框，放置观测探头：首先观察555时钟信号发生器的时钟输出、三相信号发生器产生的三相信号A、B、C及电容C1的充电情况。点击PSpice/Run开始运行PSpice，仿真完成后，在波形显示窗口出现out点、A、B、C以及D点的波形，如图3所示。
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图3 ---- 三、 分析仿真结果
; N( V8 a% h) e---- 本次仿真的参数值如下：R2=10K，C1=47U，R5=10K，C3=0.47U，C4=0.1U。由out点的波形得知，555时钟信号发生器产生的时钟信号周期大约为10ms，在10ms以后，时钟信号基本稳定。
6 \7 @8 s+ [( p9 d: }---- 由A、B、C三点波形可知，在40ms以后，三相信号发生器的输出信号产生混乱，再观察D点波形，可知，在40MS时，D点电压大于0.7V，进入数字电路中的不定状态，导致D触发器输出进入不定状态，在这以后，虽然D点电压升高为高电平，但是因为D触发器的输入信号永远为不定状态，所以三相信号发生器的三相输出信号保持在不定状态。
---- 四、 解决问题
$ P3 y# l7 }5 {1 T/ u---- 为了解决改善这种状况，分析D触发器，必须保证D触发器的触发时钟信号作用时，D触发器的各个作用信号都处于稳定状态。因此，必须保证D点处于不定状态的时间小于D触发器的触发时钟信号周期。在此，修改R2、C1的值：减小R2的值，增大电容C1的充电电流，或减小C1的值以减小充电时间（当然也可以修改R5、C3、C4的值，但这将会改变三相信号发生器的输出信号的周期）。现在把R2的值改为100欧、C1的值改为4.7U，重新运行仿真，得到的波形如图4所示。


6 J3 A% n6 }3 U6 P图4 ---- 由图4可得，在D触发器的触发信号（上升沿）作用的一个周期内，D点电压度过了不定状态这一周期，即在D触发器的每一个触发信号（上升沿）作用的时刻，保证了D点的状态稳定在高电平或低电平，从而使三相信号发生器有稳定的输出信号（如图5所示）。

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图5 ---- 五、 总结
---- 利用PSpice对电路进行模拟仿真，其作用是对电路的功能进行验证。但是，它的最主要的用途是检查电路设计存在的问题，并对其进行修改。对于以上的三相步进电机驱动电路，如果只利用示波器，将很难观测0-100ms时间段各点的波形，即很难找出三相信号发生器不能产生稳定的输出信号的原因；而利用PSpice仿真软件，则很容易得到out点、A、B、C、D各点从0-1S时间段的波形，经过各点波形的相互比较，加上对D触发器的性能分析，不难找出问题所在——R2、C1的充电时间与D触发器的触发信号周期之间的关系对三相信号发生器的输出信号状态的影响。
3 I7 X# [7 G% S* c; G" s---- 总之，利用PSpice仿真软件，可以帮助我们快速查找电路存在的问题及不足，同时也节省了我们因做实验损坏元器件而浪费的资金。

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