集成电路课程设计报告-施密特触发器的设计与仿真.docx

湘潭大学课程设计 同步十进制加法计数器的设计与仿真 王晓迪教学单位 学生学号 XXX大学（学院）课 程 设 计 (论文)题 目： 年 级： 学 号： 姓 名： 专 业： 指导教师： 2011 年 6 月 19 日集成电路课程设计报告施密特触发器的设计与仿真院 系：XXXXXXXXXXXXXX专 业： XXXXXXXXXXXX学 号： XXXXXXXX 姓 名： XXXXXXXXXX 指导教师： XXXXX 教授 报告提交日期： 2011 年 9 月2集成电路设计 施密特触发器的设计与仿真 XX目 录摘要 1关键词 11 引言 2 1.1 触发器及其应用2 1.2 设计施密特触发器的意义22 施密特触发器及其工作原理7 2.1 工作原理分析7 2.2 施密特触发器的应用93 有关Pspice的介绍11 3.1施密特触发器的起源与发展11 3.2施密特触发器的组成11 3.3施密特触发器的模拟功能134 施密特触发器的设计与仿真16 4.1施密特触发器的电路设计16 4.2施密特触发器的Pspice设计与仿真17 4.3仿真结果的分析215 结论 236 体会与心得 24参考文献 25致谢 26施密特触发器的设计与仿真摘 要：施密特触发器是一种用途十分广泛的脉冲单元电路。利用它所具有的电位触发特性，可以进行脉冲整形，把边沿不够规则的脉冲整形为边沿陡峭的矩形脉冲；通过它可以进行波形变换，把正弦波变换成矩形波；另一个重要用途就是进行信号幅度鉴别，只要信号幅度达到某一设定值，触发器就翻转，所以常称它为鉴幅器。用施密特触发器还能组成多谐振荡器和单稳态触发器。本文首先介绍了触发器的发展历程，然后对施密特触发器的基本原理及其构成进行了详细的阐述。并且在介绍了CAD软件Pspice的相关信息后对施密特触发器进行了电路设计以及仿真,并对实验结果进行一系列的分析。关键词：施密特触发器，波形分析，脉冲整形，变换电路，单稳态触发器Design and Simulation of Schmitt triggerAbstract: Schmitt trigger is a product with extensive pulse unit circuit. Use which has the potential trigger characteristics, can undertake pulse shaping. The edge of pulse shaping enough rules for edge steep rectangular pulse, through it can undertake waveform transform, the sine wave transform into rectangle wave; Another important use is carries on single amplitude identification, As long as the single amplitude up to a certain value, Flips-flop .So often called it amplitude discrimination device. Schmitt trigger still can use composed many harmonic oscillator and single state trigger. This paper firstly introduces the development course of the Schmitt trigger, the basic principle and its components in detail. In addition, the ordinary design and simulation methods of Pspice software are introduced, with which we can design and simulate the circuit of the Schmitt trigger, and a series of analysis are done.Keywords: Schmitt trigger, Wave analysis, Pulse shaping, Changing circuit1引言1.1 触发器及其应用如果电路在某一时刻的输出状态不仅取决于电路在这一时刻的输入状态，而且与电路过去的状态有关，也就是说电路具有了记忆功能，这种电路我们称之为时序逻辑电路1。时序逻辑电路中能够完成记忆功能的电路叫做触发器，它是最重要、最基本的时序逻辑电路。触发器和组合电路可以组成多种时序逻辑单元电路，比如计数器、移位寄存器、随即存储器等2。按照触发器的功能，触发器一般可以分为RS触发器、D触发器、JK触发器、T及T触发器、施密特触发器、单稳态触发器和无稳态单元-定时器等。而本次课程所设计的就是触发器中比较常用的施密特触发器。触发器可通过数据库中的相关表实现级联更改；不过，通过级联引用完整性约束可以更有效地执行这些更改。触发器可以强制比用CHECK约束定义的约束更为复杂的约束。与CHECK约束不同，触发器可以引用其它表中的列3。例如，触发器可以使用另一个表中的SELECT比较插入或更新的数据，以及执行其它操作，如修改数据或显示用户定义错误信息8。触发器也可以评估数据修改前后的表状态，并根据其差异采取对策。一个表中的多个同类触发器(INSERT、UPDATE、DELETE)允许采取多个不同的对策以响应同一个修改语句。触发器可以查询其他表，而且可以包含复杂的SQL语句。它们主要用于强制服从复杂的业务规则或要求。例如：您可以根据客户当前的帐户状态，控制是否允许插入新订单。触发器也可用于强制引用完整性，以便在多个表中添加、更新或删除行时，保留在这些表之间所定义的关系2。然而，强制引用完整性的最好方法是在相关表中定义主键和外键约束。如果使用数据库关系图，则可以在表之间创建关系以自动创建外键约束。1.2 设计施密特触发器的意义施密特触发器是由美国科学家奥托赫伯特施密特(Otto Herbert Schmitt)于1934年发明，当时他只是一个研究生，后于1937年他在其博士论文中将这一发明描述为“热电子触发器”1。这一发明是施密特对鱿鱼神经中的神经脉冲传播进行研究的直接成果。在电子学中，施密特触发器是包含正反馈的比较器电路8。对于标准施密特触发器，当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变，也就是说输出由高电平翻转为低电平，或是由低电平翻转为高电平对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时，输出才会变化，因此将这种元件命名为触发器。这种双阈值动作被称为迟滞现象，表明施密特触发器有记忆性。从本质上来说，施密特触发器是一种双稳态多谐振荡器 3。电路图中的施密特触发器符号是一个三角中画有一个反相或非反相滞回符号。这一符号描绘了对应的理想滞回曲线。 图1 非反相施密特触发器 图2 反相施密特触发器 通常获得脉冲波形的方法主要有两种:利用多谐振荡器直接产生符合要求的矩形脉冲和通过整形电路对已有的波形进行整形、变换,使之符合系统的要求4。而施密特触发器就是后者中最常用的一种.同一般触发器相比,施密特触发器有如下工作特点： 施密特触发器有两个稳定状态，其维持和转换完全取决于输入电压的大小。 电压传输特性特殊，有两个不同的阈值电压(正向阈值电压 和负向阈值电压)。 状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉。图3 典型的施密特触发器工作波形图因此施密特触发器具有整形和幅度鉴别功能，可以将正弦波和其他不规则波形变换成矩形波，是一种常用的脉冲波形变换电路。施密特触发器有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阀值电压。鉴于施密特触发器的工作特点，施密特触发器在开环配置中常用于抗扰，在闭环正反馈配置中用于实现多谐振荡器。抗扰施密特触发器的一个应用是增强仅有单输入阈值的电路的抗扰能力。由于只有一个输入阈值，阈值附近的噪声输入信号会导致输出因噪声来回地快速翻转。但是对于施密特触发器，阈值附近的噪声输入信号只会导致输出值翻转一次，若输出要再次翻转，噪声输入信号必须达到另一阈值才能实现，这就利用了施密特触发器的回差电压来提高电路的抗干扰能力。例如，在仙童半导体公司的QSE15x红外光电传感器家族中，放大式红外光电二极管能产生电信号使频率在绝对最高值和绝对最低值间翻转。这种电信号经过低通滤波后能产生平滑信号，而这种平滑信号的上升和下降与翻转信号为开启或关闭所需时间的相对量一致。滤波后的输出传递到施密特触发器的输入。实际结果是施密特触发器的输出只从低电平过渡到高电平，而这一过程在接收到的红外信号以长于某个已知时延的时间激励光电二极管之后，一旦施密特触发器的输出变为高电平，其输出只会在红外信号不再以长于类似已知时延的时间激励光电二极管之后才会变为低电平。鉴于光电二极管容易因为环境中的噪声发生伪翻转，由滤波器和施密特触发器实现的时延能确保输出只在输入确实激励元件时才会翻转。内建施密特触发器的元件：如上例所述，飞兆半导体公司QSE15x光电传感器家族内建施密特触发器用于抗扰，而在很多开关电路中，内建施密特触发器也是处于相同的原因，例如开关去抖动。下列7400系列（英语：7400 series）元件在其全部输入部分都包含施密特触发器：7413：4输入端双与非施密特触发器7414：六反相施密特触发器7418：双4输入与非门（施密特触发）7419：六反相施密特触发器74121：单稳态多谐振荡器（具施密特触发器输入）74132：2输入端四与非施密特触发器74221：双单稳态多谐振荡器（具施密特触发器输入）74310：八位缓冲器（具施密特触发器输入）74340：八总线反相缓冲器（三态输出）（具施密特触发器缓冲）74341：八总线非反相缓冲器（三态输出）（具施密特触发器缓冲）74344：八总线非反相缓冲器（三态输出）（具施密特触发器缓冲）74540：八位三态反相输出总线缓冲器（具施密特触发器输入）74541：八位三态非反相输出总线缓冲器（具施密特触发器输入）74(HC/HCT)7541：八位三态非反相输出总线缓冲器（具施密特触发器输入）SN74LV8151：具有三态输出的10位通用施密特触发缓冲器4000系列元件中的多个型号在其输入部分都包含施密特触发器，例如：14093：四2输入与非施密特触发器40106：六施密特触发反向器14538：双精度单稳态多谐振荡器4020：14级二进制串行计数器4024：7级二进制串行计数器4040：12级二进制串行计数器4017：十进制计数器（具10个译码输出端）4093：2输入端四与非施密特触发器双施密特输入配置单门CMOS逻辑、与门、或门、异或门、与非门、或非门、同或门：NC7SZ57（Fairchild）NC7SZ58（Fairchild）SN74LVC1G57（德州仪器）SN74LVC1G58（德州仪器）振荡器施密特触发器是一种双稳态多谐振荡器，可用来实现另一种多谐振荡器弛张振荡器。实现的方法是在反相施密特触发器上连接一个电阻电容网络，具体步骤是将电容连接在输入和地之间，将电阻连接在输出和输入之间。电路的输出是方波，其频率取决于R和C的取值以及施密特触发器的阈值点。因为多个施密特触发电路可以由单个集成电路（例如4000系列CMOS型元件40106包含6个施密特触发器）来提供，因此只需要两个外部组件就可以利用集成电路未使用的部分来构成一个简单可靠的振荡器。上例是一个基于比较器实现的弛张振荡器。此处，基于比较器的施密特触发器是反相配置，也就是说输入和地是由下图所示的施密特触发器翻转，因此，绝对值很大的负信号对应正输出，绝对值很大的正信号对应负输出。此外，接入RC网络的同时也接入了慢负反馈。结果就如右图所示，输出从VSS到VDD自动振荡，这一过程中电容充电，输出从施密特触发器的一个阈值变化到另一个阈值。 图4 基于比较器的张弛振荡器 图5 基于比较器的弛张振荡器的输出和电容波形施密特触发器可由TTLCMOS们组成，也可有分立元件组成。它的应用特别广泛，无论是在TTL电路中还是在CMOS电路中，都有单片集成的施密特触发器产品。TTL电路产品中有施密特4输入双与非门CT5413CT7413、施密特六反相器CT5414CT7414、施密特2输入四与非门CT54132CT74132等。CMOS电路产品有施密特六反相器CC40106、施密特2输入四与非门CC14093等.。这些产品在通信、广播、电视系统，在工业、农业、生物医学等领域内都有着广泛的应用，同时在实验和设备检测中有着必不可少的地位。下面两表分别给出了几种典型TTL施密特触发器和CMOS施密特触发器的阈值电压数值：表1 TTL型施密特触发器阈值电压数值表参数CT5413CT7413CT5414CT7414CT54132CT74132最小值(v)最大值(v)最小值(v)最大值(v)最小值(v)最大值(v)1.5 2.01.52.01.42.00.61.10.61.10.51.0表2 CMOS型施密特触发器(CC40106)阈值电压数值表参数 (V)最小值(v)最大值(v) 52.23.6104.67.1156.810.8 50.31.6101.23.4151.65.02施密特触发器工作原理2.1 工作原理分析下图是施密特触发器的典型传输状态:图6 施密特触发器的电压传输特性( (a)反相特性 (b)正向特性 )我们知道，门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压（），在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压（）。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压（）。普通门电路的电压传输特性曲线是单调的，施密特触发器的电压传输特性曲线则是滞回的，通常称之为施密特触发器的回差特性或滞回特性。回差特性是施密特触发器的固有特性，反映到电压传输特性曲线上就如上图所示。施密特触发器的整形和调幅功能就是来自于它的滞回特性。图7 用CMOS反相器组成的施密特触发器用普通的门电路可以构成施密特触发器图7。因为CMOS门的输入电阻很高，所以触发器的输入端可以近似的看成开路。把叠加原理应用到和构成的串联电路上，我们可以推导出这个电路的正向阈值电压和负向阈值电压。当从0逐渐上升到时,电路的状态将发生变化.我们考虑电路状态即将发生变化那一时刻的情况。因为此时电路状态尚未发生变化，所以仍然为0。 (1)于是有公式 (2)与此类似，当时，。当从逐渐下降到时，从下降到，电路的状态将发生变化。我们考虑电路状态即将发生变化那一时刻的情况。因为此时电路状态尚未发生变化，所以仍然为 (3) (4)于是 (5)通过调节或，可以调节正向阈值电压和反向阈值电压。不过，这个电路有一个约束条件，就是 ,如果就是 ，那么，我们有 及 ，这说明，即使上升到或下降到0，电路的状态也不会发生变化，电路处于“自锁状态”，不能正常工作。图8 带与非功能的TTL集成施密特触发器集成施密特触发器比普通门电路稍微复杂一些。我们知道，普通门电路由输入级、中间级和输出级组成。如果在输入级和中间级之间插入一个施密特电路就可以构成施密特触发器。集成施密特触发器的正向阈值电压和反向阈值电压都是固定的。利用施密特触发器可以将非矩形波变换成矩形波。图9 用施密特触发器对脉冲进行整形利用施密特触发器可以进行脉冲鉴幅图10。图10 用施密特触发器鉴别脉冲幅度2.2 施密特触发器的应用波形变换：利用施密特触发器的回差特性，可以将正弦波或其他不规则波形变形为矩形波。脉冲波的整形：数字系统中，矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变，出现上升沿和下降沿不理想的情况，可用施密特触发器整形后，获得较理想的矩形脉冲。脉冲鉴幅：所谓脉冲鉴幅，就是从一连串幅度不同的脉冲波中，选出幅度较大的脉冲波来。幅度不同、不规则的脉冲信号施加到施密特触发器的输入端时，能选择幅度大于预设值的脉冲信号进行输出。3 关于Pspice的介绍Pspice是由SPICE(Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis)发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。3.1 Pspice的起源与发展用于模拟电路仿真的SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTR AN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE的正式版SPICE 2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写， 并由MICROSIM公司推出。1988年SPICE被定为美国国家工业标准。与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。Pspice采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正 式合并，自此Microsim公司的Pspice产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。不久之后，ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release 10.5，与传统的SPICE软件相比，Pspice 10.5在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。PSPICE软件的使用已经非常流行。在大学里，它是工科类学生必会的分析与设计电路工具；在公司里，它是产品从设计、实验到定型过程中不可缺少的设计工具。3.2 Pspice的组成Pspice是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。它主要用于所设计的电路硬件实现之前，先对电路进行模拟分析，就如同对所设计的电路用各种仪器进行组装、调试和测试一样，这些工作完全由计算机来完成。用户根据要求来设置不同的参数，计算机就像扫描仪一样，分析电路的频率响应，像示波器一样，测试电路的瞬态响应，还可以对电路进行交直流分析、噪声分析、Monte Carlo统计分析、最坏情况分析等，使用户的设计达到最优效果。以往一个新产品的研制过程需要经过工程估算，试验板搭试、调整，印刷板排版与制作，装配与调试，性能测试，测试指标不合格，再从调整开始循环，直至指标合格为止。这样往往需要反复实验和修改。而仿真技术可将“实验”与“修改”合二为一,为确定元件参数提供了科学的依据。它的优点主要有：为电路设计人员节省了大量的时间。 节省了各种仪器设备。生产产品一致性好、可靠性高。产品的更新率高、新产品投放市场快等。Pspice程序采用改进节点法列电路方程，用牛顿-莱普生方法的改进算法进行非线性分析，用变节步长的隐式积分法进行瞬态分析，在求解线性代数方程组时，采用了稀疏矩阵技术。电路原理图编辑程序 SchematicPspice的输入有两种形式，一种是网单文件（或文本文件）形式，一种是电路原理图形式，相对而言后者比前者较简单直观，它既可以生成新的电路原理图文件，又可以打开已有的原理图文件。电路元器件符号库中备有各种原器件符号，除了电阻，电容，电感，晶体管，电源等基本器件及符号外，还有运算放大器，比较器等宏观模型级符号，组成电路图，原理图文件后缀为.sch。图形文字编辑器自动将原理图转化为电路网单文件以提供给模拟计算程序运行仿真。激励源编辑程序 Stimulus EditorPspice中有很丰富的信号源，如正弦源，脉冲源，指数源，分段线性源，单频调频源等等。该程序可用来快速完成各种模拟信号和数字信号的建立与修改，并且可以直观而方便的显示这些信号源的波形。电路仿真程序 Pspice A/D模拟计算程序是Pspice A/D也叫做电路仿真程序，它是软件核心部分。在Pspice 4.1版本以上，该仿真程序具有数字电路和模拟电路的混合仿真能力。它接收电路输入程序确定的电路拓扑结构和原器件参数信息，经过原器件模型处理形成电路方程，然后求解电路方程的数值解并给出计算结果，最后产生扩展名为.dat的数据文件(给图形后处理程序Probe)和扩展名为.out的电路输出文本文件。模拟计算程序只能打开扩展名为.cir的电路输入文件，而不能打开扩展名为.sch 的电路输入文件。因此在Schemayics环境下，运行模拟计算程序时，系统首先将原理图.sch文件转换为.cir文件，而后再启动Pspice A/D进行模拟分析。输出结果绘图程序 ProbeProbe程序是PSPICE的输出图形后处理软件包。该程序的输入文件为用户作业文本文件或图形文件仿真运行后形成的后缀为.dat的数据文件。它可以起到万用表，示波器和扫描仪的作用，在屏幕上绘出仿真结果的波形和曲线。随着计算机图形功能的不断增强，PC机上windows95,98,2000/XP的出现，Probe的绘图能力也越来越强。模型参数提取程序 Model Editor电路仿真分析的精度和可靠性主要取决于元器件模型参数的精度。尽管PSPICE的模型参数库中包含了上万种元器件模型，但有时用户还是根据自己的需要而采用自己确定的元器件的模型及参数。这时可以调用模型参数提取程序Model ED从器件特性中提取该器件的模型参数。元件模型参数库 LIBPspice具有自建的元件模型，元件的建立以元件的物理原理为基础，模型参数与物理特性密切相关。元件的等效模型还有其工作条件与分析要求相关。在直流分析中，非线性元件的等效模型是小信号线性等效电路；在瞬态分析中，非线性元件的等效模型考虑到了电荷存储效应。双极管型晶体管采用GUMMEL-POON的积分电荷控制模型，结型场效应管采用SHICHMAN-HODGFS的场效应管模型。二极管模型既适用于结型二极管，也适用于肖特基势垒二极管。MOS1由I-V特性来描述，MOS2是一个解析模型，MOS3是一种半经验模型。除了分立元件参数库以外，还有集成电路的宏模型库，并提供了一些著名器件和IC生产厂家的专有元器件参数库。3.3 Pspice的模拟功能Pspice程序的主要功能有非线性直流分析、非线性暂态分析、线性小信号交流分析、灵敏度分析和统计分析。直流分析非线性直流分析功能简称直流分析。它是计算直流电压源或直流电流源作用于电路时电路的工作状态。对电路进行的直流分析主要包括直流工作点分析、直流扫描分析和转移函数分析。直流工作点是电路正常工作的基础。通过对电路进行直流工作点的分析，可以知道电路中各元件的电压和电流，从而知道电路是否正常工作以及工作的状态。一般在对电路进行仿真的过程中，首先要对电路的静态工作点进行分析和计算。直流扫描分析主要是将电路中的直流电源、工作温度、元件参数作为扫描变量，让这些参量以特定的规律进行扫描，从而获取这些参量变化对电路各种性能参数的影响。直流扫描分析主要是为了获得直流大信号暂态特性。与直流扫描分析相类似的还有温度分析。在这种分析过程中，将电路的温度作为扫描变量进行分析。因为电路的主要器件的特性都是与温度有关的，所以这就为分析电路在环境变化是的工作情况提供了一种非常有用的工具。特别重要的是，通过这种分析，我们可以预测电路在某些特殊环境如极端温度条件或极端电源电压条件或元件开路短路条件下电路的工作情况，从而在进行电路设计时采取必要的预防措施。暂态分析非线性暂态分析简称为暂态分析。暂态分析计。算电路中电压和电流随时间的变化，即电路的时域分析。这种分析在输入信号为时变信号时显得尤为重要。时域分析是指在某一函数激励下电路的时域响应特性。通过时域分析，设计者可以清楚地了解到电路中各点的电压和电流波形以及它们的相位关系，从而知道电路在交流信号作用下的工作状况，检查它们是否满足电路设计的要求。交流分析线性小信号交流分析简称为交流分析。它是Pspice程序的主要分析功能。它是在交流小信号的条件下，对电路的非线性元件选择合适的线性模型将电路在直流工作点附近线性化，然后在用户指定的范围内对电路输入一个扫频信号，从而计算出电路的幅频特性、相频特性、输入电阻、输出电阻等。这种分析等效于电路的正弦稳态分析即频域分析。频域分析用于分析电路的频域响应即频率响应特性。这种分析主要用于分析电路的幅频特性和相频特性。小信号转移特性分析主要分析在小信号输入的情况下，电路的各种转移函数，通常分析的是电路的电压放大倍数。噪声分析是电路设计的重要内容之一。在模拟电路中，无源器件和有源器件均会产生噪声，主要包括电阻上产生的热噪声，半导体器件产生的散粒噪声和闪烁噪声。在噪声分析时，将元件的噪声等效为一个输入信号进行交流分析。通过噪声分析可以计算出各器件在某一输出节点产生的总噪声以及某一输入节点的等效输入噪声。从而可以分析一个电路产生噪声的主要来源，采取一定的电路设计措施来减小噪声的影响。灵敏度分析灵敏度分析包括直流灵敏度分析和蒙特卡罗分析两种。直流灵敏度分析业称为灵敏度分析。它是在工作点附近将所有的元件线性化后，计算各元器件参数值变化时对电路性能影响的敏感程度。通过对电路进行灵敏度分析，可以预先知道电路中的各个元件对电路的性能影响的重要程度。对于那些对电路性能有重要影响的元件，要在电路的生产或元件的选择时给予特别的关注。统计分析统计分析主要包括蒙特卡罗分析和最坏情况分析。蒙特卡罗分析是在考虑到器件参数存在容差的情况下，分析电路在直流分析、交流分析或暂态分析时电路特性随器件容差变化的情况。另一种统计分析是最坏情况分析，它不仅对各器件参数的变化逐一进行分析，得到单一器件对电路性能的灵敏度分析，同时分析各器件容差对电路性能的最大影响量(最坏情况分析)，从而达到优化电路的目的。PSPICE10.5个人认为它最为突出之处，是改进了其9.2版本，使绘制电路，以及仿真算法更加优化，更加节省时间（以前进行1S的仿真如果取点ms级，那将是非常恐怖的事情），而且蒙特卡罗分析和最坏情况分析有助于我们模拟在不同温度和环境，以及元件损坏的情况下电路的实现过程及结果，那么我们就知道电路的弱点，以及电路中的最重要元件，就可以相应的对其采取保护、散热等措施。.cir文件转换为.olb库文件经常碰到orcad仿真库中找不到某些器件的情况，但是从这些器件的厂家网站上往往可以下到其spice model，一般是.cir文件。4施密特触发器的设计仿真与分析4.1施密特触发器的电路设计本次设计针对施密特触发器的同向特性进行。其同向特性的宏模型如下图所示：图11 施密特触发器宏模型图形宏结构中关键的受控源=,形成反馈与放大作用。其中A为打压增益，为上下出发电平的中心值，为正反馈系数，即有 (6)理想二极管D1，D2和电压源V1，V2形成输出振幅，且 (7)输出部分受控源 (8)其中V(3)前面的符号用以确定输入信号是从低电平上升还是高电平下降引起触发器状态翻转，如果是从低电平上升引起输出状态翻转，则符号式“”。这里Ri=1M, Ro=1K, X1=1V, X2=4V, Y1=1V, Y2=3V图12 滞后特性当输入为三角波时,预计输入输出波形如下图:图13 预计输出波形4.2 施密特触发器的Pspice设计及仿真.通过新建project并进入电原理图编辑状态,从各个元件库中提取原件组成电原理图,并相应设置个器件的相应初始参数,并设置节点和设置分析类型。此过程中要注意器件库的选择，因为Pspice中自带了许多库文件，库文件中囊括了几乎全部的设计单元器件，但是不同的库中相同的元器件可能存在着一定的差异和参数的固化等问题。所以我们要从合适的库中选择合适的设计单器件来完成电路的电原理图输入，否则设计的电路图难以完成原理设计或者对实验结果造成一定的误差！设计的电原理图如下截图:图14 设计的施密特电原理图.在PSpice仿真中，除了可以用图形编译外，还可以利用PSpice语言进行相应的文本编译，其最终的仿真结果和图形编译的没有任何区别。同样，本次课程设计中也进行了相关的文本编译。此次设计的施密特触发器对应的输入网单文件如下：A SCHMITT TRIGGER MODELRI 1 0 1MEGE1 2 0 POLY(2) (1,0) (3,0)+ 2.5E7 -1E7 1.5E7R1 2 3 1TC1 3 0 1E-15D1 3 4 DMV1 4 0 1D2 5 3 DMV2 5 0 -1E2 6 0 POLY(1) (3,0) 2 -1R2 7 0 1GRO 6 7 1KMODEL DM D N=0.001VI 1 0 PWL(0 -5 2U 5 4U -5)TRAN 10N 4UPROBEEND . 对设计好的电路原理图进行仿真,仿真过程中可以清晰的观察输入电压V(1)的波形如下截图: 图15 输入电压V(1)波形可以看出输入电压为三角波：当T=0时输入电压为-5V;T=2us时，输入电压为5V;T=4us时输入电压变至-5V.在0 2us和2us 4us时，输入电压分别线性增加减少。对应输入网单文件中的VI 1 0 PWL(0 -5 2U 5 4U -5)然后我们观察输入的电压波形V(7),可得清晰波形如下截图: 图16 输出电压V(7)波形图中三角波形为输入的三角波,而矩形波形则是整形后输出的矩形波。由图可知在T1.8us时触发器工作在禁止状态，输出电压为0v：而当T=1.8us时触发器临界工作，输出电压瞬间变至3v，再次此后的一定时间内触发器对输入波进行恒定输出，直至输入电压下降至1v时触发器再次回到临界状态，输出电压回至0V。我们知道对施密特触发器当输入电压由低向高增加，到达V+时，输出电压发生突变，而输入电压Vi由高变低，到达V-，输出电压发生突变，因而出现输出电压变化滞后的现象，可以看出对于要求一定延迟启动的电路。我们知道，对于标准施密特触发器，当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变，也就是说输出由高电平翻转为低电平，或是由低电平翻转为高电平对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时，输出才会变化。由图可知所设计电路很好的对输入波形进行了整形，把边沿变化缓慢的三角形信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号，实现了施密特触发器的整形和幅度变换功能，获得较理想的矩形脉冲。所以说实验电路的设计整体上是成功的。下面是对电路中其他一些器件的电压波形展示：这是电流I(E1)的波形:图17 电流I(E1)波形图可以看出电流I(E1)在初始时刻线性增大，在输入电压上升到一定程度时有一个突变过程，然后在一段时间内电流线性增加至一峰值。是因为输入电压上升到阈值电压V+,管子导通，触发器开始工作，自然对电流大小产生一定影响。但是随着电压的继续增大，电流I(E1)开始线性下降至一时刻后突然变小，之后一直线性减小。这是因为输入电压为三角波，在上升一定至峰值后开始下降，导致管子闭合，触发器停止工作，是电流I(E1)出现骤变。下图是电流I(RO)波形：图18 电流I(RO)波形由实验电路原理图和施密特触发器的原理分析公式可求得 k1=2.5,k2=1.5 =1，=-1当Vi大于VR时运算放大器的输出会得到一个正向电压输出；若VR大于Vi时则会得到一个负电压。电压的大小则由两个齐紊二极管来限压。理想的运算放大器其输出上升时间为0，而在实际的电路上是上可能得到这么理想的曲线，一般从负压上升到正压需要一小段的上升时间。如果参考电压VR固定，那么当Vi 慢慢增加时，仅在Vi-VRV1时。运算放大器的输出达到Vmax；而当Vi渐渐减小时却必须于Vi-VRV1伏特时，输出才为Vmin。也即，欲达Vmax及Vmin输出电压的条件上一样，两者Vi-VR值相差V1。4.3 仿真结果的分析由上面的输出电压V(7)波形图对应其原理设计的预计输出波形图可知,此次触发器的设计是成功的,所涉及的电路成功的将三角波整形为矩形波，实现了施密特触发器的整形功能并且输出波形的幅度也有一定的变化，这是施密特触发器的鉴幅功能.但是仔细观察还是能看出理想输出波形与实际输出波形之间还是存在一定的差异的.这是因为理想情况下指的是各器件均为理想器件，没有器件的参数容差影响，Tc=27的情况。理想情况下的瞬态分析波形图是最符合设计要求的波形图。在绘制电路原理图的时候，所用到的器件不可能完全是精确的，而且，由于制造工艺上的问题，所用的器件参数不会同我们仿真软件中器件库中器件的参数一样，因此，这样就会产生一个误差问题。通过上面的仿真可以看出设计基本符合预期符合效果，但是还有有一定的误差的，而产生偏差的主要原因有： 测量人员的读数误差； 元器件本身参数的示值误差； 工程近似计算式引入的理论计算误差； 软