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PSPICE作为著名的电路设计与仿真软件之一，具有仿真速度快、精度高等优点，并且集成了几乎所有电子电路设计和分析所需的器件、信号源、电源、万用表和示波器。PSPICE用于电路仿真时，以源程序或图形方式输入，能自动进行电路检查、生成图表、模拟和计算电路。它不仅可以对模拟电子线路进行不同输入状态的时间响应、频率响应、噪声和其它性能的分析优化，以达到电路最优的性能指标设计，还可以分析数字电子线路和模数混合电路。
( T7 {- {3 X2 N* T8 G5 f: s1 施密特触发器的工作特性仿真分析 & X! O% `, F+ r* l$ Z y
在PSPICE的Schematics绘图编辑器中，555定时器的图形符号及管脚，其中管脚1是公共端，管脚2为触发端，管脚3为输出端，管脚4为复位端，管脚5是控制电压输入端，管脚6为阈值端，管脚7是内部三极管的放电端，管脚8是电源端。
1 u& Q, T0 Q2 E3 k" j( N 利用PSPICE的Schematics绘图编辑器绘制的555定时器构成的施密特触发器电路。输入信号V1为三角波，用分段线性源VPWL来实现，其幅值在0V与5V之间线性变化，管脚8接直流电压源Vcc=5V。利用PSPICE的瞬态分析功能进行仿真，瞬态分析(Time Domain Transient)是指在给定输入激励信号的作用下，计算电路输出端的瞬态响应，其实质就是计算时域响应。设置瞬态分析参数为从零时刻开始记录数据，到4s结束，最大步长为5ms，得到555的输出端Vout 的电压波形与输入电压波形。该电路能将输入三角波转换成方波输出，且当输入三角波电压升高，输出电平发生转换时所对应的门限电压约为3.33 V，而当输入三角波电压降低，输出电平发生转换时所对应的门限电压约为1.67 V，即上门限电压与下门限电压不同，输入与输出问具有迟滞特性。将输入信号换成正弦信号后，得到输入输出电压的波形，依然表现出迟滞特性，且上门限电压与下门限电压仍分别为3.33 V和1.67 V，而这正是施密特触发器电路的工作特性。仿真结果与理论计算结果的上门限电压2Vcc/3、下门限电压Vcc/3相符。显然，利用555定时器构成的施密特触发器电路具有结构简单、使用方便的优点。 2 {3 V4 q. n0 B5 b! X- d8 R1 y9 E
2 单稳态触发器的工作特性仿真分析
- A% A5 m7 W6 g2 S$ V 单稳态触发器广泛应用于脉冲整形、延时以及定时等。利用Schematics绘制的由555定时器构成的单稳态触发器电路，输入信号Vi为脉冲电压源(VPULSE)，设置其参数为：V1=5 V，V2=0V，PER(周期)=1 ms，PW(脉宽)=0.3 ms。对单稳态触发器而言，PULSE只是用来作为外触发脉冲，其幅度和脉宽不会影响输出信号。进行瞬态分析后，得到如图6所示的输出电压波形图，其中类似于锯齿波的是电容C1两端的电压，而方波则是555的输出端Vout的电压波形。 7 O0 W% q* N. N; m6 l
电容c1存在自动充放电过程。当电容c1从0 V充电到约3.33 V之前。555定时器的输出始终保持高电平，而一旦电容充电到3.33 V，555的输出立即转换为低电平，随后电容c1开始从3.33 V迅速放电到0 V，此后又开始新的充放电过程。在555的输出端Vout可以获得周期性的矩形脉冲，而脉冲的宽度约为1.75 ms，与理论计算值1.1×R1×C1相符。并且输出脉冲的宽度与输入信号VPULSE的脉宽和幅度无关。 $ s% u0 ~" F2 H0 @+ i3 F6 `, I
3 多谐振荡器的工作特性仿真分析
! t9 d5 S4 _ q8 Z% Y9 x 多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号便能自动产生矩形脉冲。利用Schematics绘制的由555定时器构成的多谐振荡器电路。启动PSPICE瞬态分析功能。观察电容C1的端电压和555的输出端Vout的电压，我们发现，555的输出电压Vout始终保持高电平，并没有产生预期的振荡。
) J2 S0 z4 r$ N x3 U) O6 S( ] 555构成的多谐振荡器在理论上满足起振条件，应该输出振荡周期约为[R1+2×R2]×C1×ln2，占空比约为[(R1+R2)/(R1+2×R2)]的矩形波，但在应用PSPICE进行仿真分析时却不能振荡。
; w' A3 _+ T$ W3 J. N; v* {3 X) X5 |3.1 PSPICE中555多谐振荡器不能起振的原因分析 分析可知，PSPICE中555多谐振荡器不能起振的原因在于起振源，实际振荡电路之所以能自行起振是由于起振源的存在。实际振荡电路的起振源主要由两方面因素构成：一是由振荡电路晶体管内部的噪声和电路噪声(电阻热噪声等)引起；二是由电路接通电源瞬间的冲击电流引起。但是直接利用PSPICE对图7电路进行模拟仿真时，PSPICE会将电路中的555定时器、电阻、电容、电源等元件和电路的接通过程都理想化，所以不能产生任何噪声。没有起振源，自然就不能产生振荡。
$ R O# t* j6 i- \/ x# Y3.2 有效起振方法 通过多次实验，找出了模拟实际振荡电路的一种有效起振方法，即可在电容c1 两端加一个微小的电压初始值 具体步骤为：进行瞬态分析时，在simulstion settings中激活Skip the initial transient biaspoint calculation选项，从而忽略初始瞬态偏置点的计算，直接使用各元件的起始条件来作瞬态分析。利用电容上的初始电压来模拟起振源，从而激发振荡电路产生持续的振荡。
' `3 V4 X* G1 Y# v4 _& J3.3 仿真结果 在PSPICE中采用前面提出的模拟振荡电路的起振方法得到555振荡电路输出端的矩形脉冲电压波形 电容C1周期性地从Vcc/3充电到2Vcc/3，再从2Vcc/3放电到Vcc/3，从而在555的输出端Vout形成周期性的矩形脉冲波，构成多谐振荡器。矩形脉冲的周期约为0.62 ms，占空比约为56%，且其值只与电阻、电容值有关，与理论计算结果相符。仿真结果表明，电容上的初始电压，只是激发了振荡电路的振荡，并不会改变电路起振后的输出波形，也不会影响对振荡电路起振特性的研究。因此，本文提出的PSPICE中555多谐振荡器的起振方法是一种快速、有效的起振方法 8 ?9 R2 }/ l. g" Y$ u
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发表于 2021-6-9 10:04
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