可控扫描电路的设计仿真与验证

胡 安， 辛增献， 宗 健， 刘苏杰

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

扫描电路使用电压比较器和积分器形成正反馈回路，自动产生锯齿波或三角波信号［1］，已被广泛用于测量、自动控制、通信、无线电广播等许多技术领域。

现有扫描电路无法对扫描方向进行控制，且扫描范围调整余地小，不能满足雷达、导引头等对扫描电路的特殊要求。本文结合实际需求，采用简单的触发器、比较器和积分器，设计了具有方向控制、停止控制、幅度可调的扫描电路，采用PSPICE对该电路进行建模仿真验证，试验验证表明该可控扫描电路有效可靠。

1 经典扫描电路原理

经典扫描电路主要由电压比较器和积分器组成，如图1所示。

图1 扫描电路原理图

为了分析扫描电路工作原理，在PSPICE 中建立图1所示的仿真模型［2］。积分器和放大器采用双运放LM747，进行时域仿真，结果如图2 所示。其中，上图为扫描电路输出波形，下图为A点输出波形。

图2 经典扫描电路仿真波形

上电时，电压比较器根据集成运放输入两端口的差异产生负电压对积分器C1 进行充电，随着积分器电荷的积累，A 点充电电压也不断升高，当达到稳压管嵌位电压后，扫描电路进入稳态工作。

扫描电路稳态工作时，比较器送出的充电电压（A 点），对积分器的电容C1 进行充电，形成线性规律的电压信号。当该电压升高到电压比较器输入端门限电平时，电压比较器将会发生正-负翻转，对积分器按照线性规律反向充电。当该电压降低到电压比较器输入端门限时，电压比较器将会发生负-正翻转。在正反馈系统和滞回电压比较器的共同作用下，最终输出三角波扫描电压。

调节电路中R 与C的数值，可以调整扫描周期和幅度，以满足各种场合对扫描电压的需求。在上述扫描电路中，通过增加二极管、电阻等改变电路的充放电回路，就可以使电路转换为锯齿波扫描电路。

2 可控扫描电路设计

采用滞回电压比较器和积分器共同形成的扫描电路，能够实现扫描周期、扫描幅度的调整。但输出扫描信号周而复始地自动产生，不能控制扫描方向和扫描停止；且扫描转折的电压值依靠滞回特性来调整，无法实现扫描上下转折电压完全不对称的应用场合。

为实现扫描信号的可控，可采用图3所示的电路。

图3 可控扫描原理

在经典扫描电路的基础上，将电压比较器分为扫描上限比较器和扫描下限比较器，使扫描波形的“上转折”与“下转折”电压可调，并送出“转下扫”或“转上扫”逻辑指令。

为实现扫描方向控制，需要增加扫描逻辑控制功能模块，该模块接收“转上扫”“转下扫”和“扫描方向控制指令”，送出“积分方向控制信号”和“扫描方向监测信号”至反馈系统。开关控制功能模块根据扫描停止指令，将开关切换到悬空状态，停止积分器的正反充电状态。根据积分方向控制信号来回切换，使积分器分别工作在正、反向充电状态。

扫描控制模块可采用集成电路或小型可编程逻辑器件（CPLD）。为简化设计，采用JK 触发器的置位、清零、时钟、JK 输入等端口控制扫描方向、转上扫、转下扫和积分方向。

另外，选用两路开关DG390分别完成正反向充电和扫描暂停控制。集成电路LM741与外围电路实现积分器功能。双路比较器LM119与外围电路实现上、下限电压比较器。可控扫描电路，如图4所示。

图4 可控扫描电路

积分器输出信号加至上、下限电压比较器，分别与+VR、-VR比较，形成JK 触发器的置位、清零信号：

a）到达上限时，置位端有效，触发器输出逻辑“1”，DG390切换到负电压，积分器负向充电；

b）到达下限时，清零端有效，触发器输出逻辑“0”，DG390切换到负电压，积分器正向充电。

触发器J、K 两端同时接高电平时，充电方向就可以在JK 触发器时钟CK 输入端的控制下进行实时更改。触发器输出负端作为扫描方向输出信号，为系统提供扫描状态的指示信号。扫描停止信号直接控制第二个DG390，使积分器在“充电”和“保持”之间进行切换。

3 建模仿真与验证

为验证设计的有效性，对图4的原理框图建立仿真模型，进行仿真验证。

3.1 仿真模型的建模

为了仿真可控扫描电路功能，分别对电路和信号进行建模。

可控扫描电路的建模就是在PSPICE 软件支持下，用元器件仿真模型搭建电路图。按图4从软件仿真库Pspice.lib中查找和提取DG390、JK触发器、LM741、LM119以及外围电阻、电容和电源器件，并完成电容电阻阻值的设置。

运用PSPICE提供的绘图工具，完成这些元器件之间的互连，即形成可控扫描电路的仿真模型［3］。

用仿真信号源模拟电路的两个输入信号：扫描停止（DG390 的输入控制信号）和扫描方向控制（JK 触发器CK 输入信号）信号，如图5所示。其中上图为扫描方向控制信号，下图为扫描停止控制信号。

图5 信号源模型输出曲线

工作时序：

a）0～0.85s为扫描暂停段，设置“扫描停止”有效，验证扫描停止功能；0.86s～2.05s为扫描有效段，启动扫描，验证电路扫描功能；

b）2.06s～2.81s为扫描换向段，首先进行暂停扫描，并在2.31s～2.47s启动扫描反向控制，验证扫描方向控制功能；

c）2.82s～4s为反向验证段，再次启动扫描，验证电路反向扫描功能。

根据设计需求，选择source.olb库中的VPWL信号源，并进行参数设置，建立这两个信号源模型。

3.2 仿真验证与优化

仿真模型建立以后，采用PSPICE 提供的参数扫描功能对扫描电路中各模块的电容电阻进行优化，最终确定可控扫描电路的相关参数［4］。然后，设置仿真时间长度为4s，运行时域暂态仿真，仿真结果如图6所示［5］。图中，自上而下四个分图分别为置位信号、清零信号、积分方向控制信号和可控扫描输出信号。

从图6可以看出：

图6 可控扫描电路仿真曲线

a）0～0.85s，处于扫描停止段，置位、清零、积分方向控制和扫描输出信号均为无效状态，积分器充电端连接在悬空端口，既不能充电，也不能放电，处于扫描停止状态；

b）0.86s～2.05s，处于扫描有效段，置位信号在扫描输出电压到达正向最大值时，送出短时脉冲，积分方向控制信号反向，扫描输出信号随之更换扫描方向，清零信号在扫描输出电压到达正向最大值时，送出短时脉冲，扫描输出信号再次更换扫描方向；

c）2.06s～2.81s，处于扫描换向段，在扫描停止控制信号的作用下停止扫描，并在2.47s扫描方向控制信号下降沿，电路产生的积分方向控制信号反向，此时扫描方向为向上；

d）2.82s～4s，处于反向验证段，在扫描再次启动时，可以观察到扫描输出信号的扫描方向为向下，并没有按照停止前的方向进行扫描，实现了预期的扫描方向控制功能。

仿真结果表明，该电路实现了电路扫描、停止扫描、扫描换向和反向扫描功能，通过扫描方向控制和扫描停止控制信号，可以实现扫描停止和扫描方向的控制。

3.3 试验验证

根据优化后的电路原理图，研制了可控扫描电路，试验曲线如图7所示。

图7 可控扫描电路测试曲线

可控扫描电路输出与可控扫描输出信号的仿真曲线基本一致，实现了预期设计目标。与仿真所不同的，第一次扫描的方向相反，该现象是因为JK 触发器在初始上电时电压建立的先后顺序不一致。

4 结束语

采用JK 触发器设计了可控扫描电路，具备了扫描停止、扫描方向、扫描上下限的独立调整等功能。这种扫描方法即适用于三角波扫描电路，也可用于锯齿波扫描电路。

采用可编程逻辑器件来替代JK 触发器时，可实现初始逻辑复位设计。

［1］ 童诗白，华成英.模拟电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］ 谭阳红.基于OrCAD16.3的电子电路分析与设计［M］.北京：国防工业出版社，2011.

［3］ 李永平，储成伟.PSPICE电路仿真程序设计［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［4］ 刘苏杰.带通滤波器的优化设计与分析［J］.制导与引信，2005，26（4）：49-52.

［5］ 刘苏杰.基于PSPICE 的小信号包络检波器的虚拟设计［J］.制导与引信，2009，30（1）：30-33.