毕业设计(论文)-PWM清零D触发器的电路仿真设计

毕业论文题目：
PWM清零D触发器的电路仿真设计
摘要
PWM (Pulse Width Modulation)，脉冲宽度调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信、功率控制与变换的许多领域中。

PWM的应用研究一直受到关注,首要的是PWM的数字化实现技术。

D触发器是一种常用的数字集成电路，它在数字PWM技术中有着广泛而重要的应用。

本论文首先对PWM技术进行了系统的介绍，基于对PWM原理的理解，对PWM中的D触发器电路进行研究，通过参数设计，对具有清零作用的D触发器电路结构进行了设计，结合集成电路EDA设计软件进行了电路仿真设计，并对结果进行了分析，实现了电路功能；同时，基于CMOS工艺，绘制了整体电路的版图。

关键词
PWM；D触发器；CMOS工艺；版图
Abstract
PWM (Pulse Width Modulation),Pulse width modulation, is using the width of the microprocessor for analog to digital output control of a kind of very effective technology, widely used in measuring, communication and power control and transform in many areas. The application research has been a PWM, primary concern is the realization of digital technology, PWM. With microelectronics technology and power electronic technology development, the digital realization method also PWM has become the main form of PWM.
D flip-flop is a kind of common digital integrated circuit, it in the digital technology has been widely PWM and important application. This paper first PWM technology is introduced, the system based on the principle of PWM, the D flip-flop PWM circuit design, research, and through the parameters of the function has cleared the trigger circuit structure D design and simulation design, and the results of the analysis and territory.
Keywords
PWM; D flip-flop; CMOS technology; Layout
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第一章前言 (1)
引言 (1)
PWM技术 (1)
模拟PWM技术 (1)
1.2.2 数字PWM技术 (4)
1.3 PWM的发展现状及应用 (6)
论文的主要内容 (7)
第二章 PWM触发器 (9)
2.1 触发器分类 (9)
2.1.1 RS触发器 (9)
2.1.2 单稳态触发器 (10)
施密特触发器 (11)
2.2 D触发器的不同结构和不同工作方式 (13)
第三章PWM清零D触发器的电路设计及仿真分析 (16)
3.1 清零D触发器设计思想 (16)
3.2 PWM的电路实现 (16)
3.2.1 PWM清零D触发器工作原理 (16)
3.2.2 PWM清零D触发器电路设计 (17)
3.3 PWM清零D触发器的电路仿真 (18)
第四章版图绘制 (19)
4.1 版图设计规则 (19)
4.1.1 DRC规则 (19)
版图绘制规则 (20)
4.2 电路整体版图 (21)
结论 (22)
参考文献 (23)
附录 (24)
致谢 (26)
第一章前言
1.1 引言
脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想与数字电路相结合的数字PWM技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

D触发器是一种典型的数字电路，在计数、分频等应用电路中作为其中的重要模块，有着广泛的应用，将PWM 技术与D触发器电路相结合，可以实现很多复杂功能，所以PWM与D触发器电路相结合的技术将会成为一个热点。

1.2 PWM技术
随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，主要分模拟PWM技术和数字PWM技术两类。

模拟PWM技术
微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论，非线性系统控制思想的应用，模拟PWM，已出现了多种模拟PWM控制技术，根据模拟PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8类方法[1]。

①相电压控制PWM
相电压控制PWM方法应用极为广泛，而随机PWM方法是其应用的典范。

在上世纪70年代开始至上世纪80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注。

为求得改善，随机PWM方法应运而生。

其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀的)，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。

正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值；另一方面则说明了
消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，随机PWM技术正是提供了一个分析、解决这种问题的全新思路[2]。

②线电压控制PWM
对于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负载，逆变器输出不必追求相电压接近正弦，而可着眼于使线电压趋于正弦。

因此，提出了线电压控制PWM 马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入PWM方式(HIPWM)就是其中的典型，其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波，调制信号便呈现出马鞍形，而且幅值明显降低，于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下，可以使基波幅值超过三角波幅值，提高了直流电压利用率。

在三相无中线系统中，由于三次谐波电流无通路，所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波[3]。

除了可以注入三次谐波以外，还可以注入其他3倍频于正弦波信号的其他波形,这些信号都不会影响线电压。

这是因为经过PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的3倍频于正弦波信号的谐波，但在合成线电压时，各相电压中的这些谐波将互相抵消，从而使线电压仍为正弦波。

③电流控制PWM
电流控制PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际的电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实际输出随指令信号的改变而改变[4]。

④空间电压矢量控制PWM
空间电压矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。

它以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成PWM波形。

此法从电动机的角度出发，把逆变器和电机看作一个整体，以内切多边形逼近圆的方式进行控制，使电机获得幅值恒定的圆形磁场。

具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式。

磁通开环法用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量，若采样时间足够小，可合成任意电压矢量。

此法输出电压比正弦波调制时提高15%，谐波电流有效值之和接近最小。

磁通闭环式引入磁通反馈，控制磁通的大小和变化的速度。

在比较估算磁通和给定磁通后，根据误差决定产生下一个电压矢量，形成PWM波形。

这种方法克服了磁通
开环法的不足，解决了电机低速时，定子电阻影响大的问题，减小了电机的脉动和噪音。

但由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善[5]。

⑤矢量控制PWM
矢量控制也称磁场定向控制，其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib及I c,通过三相/二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流I a1及I b1,再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1及It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿对直流电动机的控制方法，实现对交流电动机的控制。

其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。

通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制[6]。

但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。

此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配置转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便[5]。

⑥直接转矩控制PWM
1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(Direct Torque Control简称DTC)。

直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流，磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制，它也不需要解耦电机模型，而是在静止的坐标系中计算电机磁通和转矩的实际值，然后，经磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行最佳控制，从而在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，能方便地实现无速度传感器化，有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度，并以新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的动静态性能得到了迅速发展。

但直接转矩控制也存在缺点，如逆变器开关频率的提高有限制[7]。

⑦非线性控制PWM
单周控制法又称积分复位控制(Integration Reset Control,简称IRC)，是一种新型非线性控制技术，其基本思想是控制开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例。

该技术同时具有调制和控制的双重性，通过复位开关，积分器，触发电路，比较器达到跟踪指令信号的目的。

单周控制器由控制器，比较器，积分器及时钟组成，其中控制器可以是RS触发器。

单周控制在控制电路中不需要误差综合，它能在一个周期内自动消除稳态，瞬态误差，使前一周期的误差不会带到下一周期。

虽然硬件电路较复杂，但其克服了传统的PWM控制方法的不足，适用于各种脉宽调制软开关逆变器，具有反应快，开关频率恒定，鲁棒性强等优点，此外，单周控制还能优化系统响应，减小畸变和抑制电源干扰，是一种很有前途的控制方法。

⑧谐振软开关PWM
传统的PWM逆变电路中，电力电子开关器件硬开关的工作方式，大的开关电压电流应力以及高的du/dt和di/dt限制了开关器件工作频率的提高，而高频化是电力电子主要发展趋势之一，它能使变换器体积减小，重量减轻，成本下降，性能提高，特别当开关频率在18kHz以上时，噪声将已超过人类听觉范围，使无噪声传动系统成为可能。

谐振软开关PWM的基本思想是在常规PWM变换器拓扑的基础上，附加一个谐振网络，谐振网络一般由谐振电感，谐振电容和功率开关组成。

开关转换时，谐振网络工作使电力电子器件在开关点上实现软开关过程，谐振过程极短，基本不影响PWM技术的实现。

从而既保持了PWM技术的特点，又实现了软开关技术。

但由于谐振网络在电路中的存在必然会产生谐振损耗，并使电路受固有问题的影响，从而限制了该方法的应用[8]。

数字PWM技术
尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。

其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。

能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。

模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。

模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。

通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。

此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

数字PWM是通过不同的调制算法或调制电路，将输入的数字信号转换成不同调制形式的PWM脉冲信号，并通过控制脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到调节电压、频率及控制和消除谐波的目的[9]。

数字PWM技术以其控制灵活、高效节能等优势，被广泛应用于分时多路复用系统、射频传输、光数据存储器、通信系统和数字音频系统。

它克服了模拟调制中的不足，实现了调制过程的全数字化，有利于参数整定和变参数调节，便于通过改变程序软件或调制算法来实现多种方案及完成对不同领域的控制，提高了控制的可靠性和精度，实现了控制的灵活性。

目前数字PWM正朝着集成化、高频化的方向发展，数字PWM技术主要有以下几类。

①对称规则采样SPWM法
SPWM（Sinusoidal PWM）法是一种比较成熟的、目前使用使用较广泛的PWM 法。

应用的理论前提为冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果基本相同。

SPWM法是用按正弦规律变化的脉冲宽度控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出地脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值，则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

规则采样是SPWM法的一种实现方案。

规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为载波。

其原理为用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法。

当三角波只在其顶点（或底点）位置对正弦波进行采样时，有阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期（即采样周期）内的位置是对称的，这种方法称为对称规则采样，即为对称规则采样SPWM法。

②预置相位PWM方法
预置相位PWM方法是将对应于不同电压值的相位角在大型计算机上预先计算出来并存表，对于不同的频率，按一定规律算出相对应的电压，再根据存储的表转换成对应的触发脉冲，以驱动相应的控制电路。

此方法的主要缺点是需要大量的内存来存储表格数据，而且表格只能存储离散的有限的电压值。

为了使频率
电压接近连续可调，一般都要将电压的离散点尽可能多地储存起来或者采用线性插值的方法来实现电压的连续调节。

但不管采用哪种方法，其对内存的需求都是相当大的。

③空间矢量PWM（SVPWM）法
空间电压矢量控制PWM(SVPWM)即磁通正弦PWM法。

其以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成PWM波形。

此法从电机的角度出发，把逆变器和电机看作一个整体，以内切多边形逼近圆的方式进行控制，使电机获得幅值恒定的圆形磁场（正弦磁通）。

磁通开环法用两个非零矢量和零矢量合成一个等效的电压矢量，若采样时间足够小，可合成任意电压矢量。

此法输出电压比正弦波调制时提高15%，谐波电流有效值之和接近最小。

此方法提高了直流电压的利用率。

SVPWM数字电路设计如图1-1所示。

图1-1 SVPWM数字电路设计
可增/减计数器在控制寄存器和周期寄存器的作用下，获得周期性对称的三角波，并不断地与比较单元的比较寄存器比较，产生比较匹配，从而输出基本波形，接着在状态机的作用下，最终获得PWM的信号输出[10]。

1.3 PWM的发展现状及应用
由于PWM系统具有精度高，响应快和抗扰性好等优点，国外在60年代已开始注意，起初用于军用雷达天线驱动，天文望远镜驱动、火箭和卫星等一些快速
跟踪高精度小功率直流伺服系统，后来又逐步应用到民用工业，为机床的数控伺服系统，目前不论直流还是交流的PWM系统，其容量愈来愈大，应用范围越来越广，从数十瓦到数十千瓦的系统中都有比较广泛的应用。

最近1~2年，国外已出现2000伏，200安；900伏400安晶体管，PWM交流系统的容量可达50千伏安。

国内已制成最高电压1200伏，最大电流100安的晶体管。

关于PWM控制技术的文章在很多著名的电力电子国际会议上，如PESC、IECON、EPE年会上已形成专题。

尤其是微处理器应用于PWM技术数字化以后，花样更是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。

目前仍有新的方案不断提出，说明了这项技术的研究方兴未艾[11]。

PWM控制系统主要应用在电力电子技术行业，具体讲，包括风力发电、电机调速、直流供电等领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于目前国家提出的节能减排具有积极意义。

数字信号在存储、传输和数据处理上有很多的优点，将数字PWM技术应用于音频功率放大器中，可以实现音频信号通道的全数字化，以纯数字化的结构完成数字音频与扬声器之间的连接，可以大大提高音源的音质，并且大大降低了对电源及散热的要求。

将输入的数字音频信号转换成脉宽调制信号，需要用到的是数字PWM脉宽调制器。

其基本思想是在时钟控制信号的作用下，输入的数字音频信号不断与循环计数器中的数值进行比较，当调制信号大于循环计数器的数值时，比较器就输出低电平，反之输出高电平。

循环计数器循环一个周期后，通过使能端清零，接着进行下一组数据的比较。

在每一个循环周期中，因为输入的数字音频信号的大小不同，比较器输出的高电平的个数不同，因而产生占空比不同的脉宽调制信号。

D触发器则是此音频功率放大器中的一个结构模块。

针对以上的应用，本论文利用具有清零作用的D触发器组成循环计数器，在时钟信号和清零端的控制下，形成数字PWM中所需要的循环数据。

本论文的主要工作内容如下：
1. 介绍PWM技术。

2. 基于对PWM原理的理解，对PWM中D触发器电路进行研究。

3. 通过参数设计，对清零D触发器的电路结构进行设计。

4. 对PWM清零D触发器进行仿真设计，并进行结果分析。

5. 版图绘制。

第二章 PWM触发器
触发器是时序电路的基本单元，在数字信号的产生、变换、存储、控制等方面具有广泛应用。

2.1 触发器分类
按结构和工作方式不同，触发器可分为：RS触发器、D型触发器、JK触发器、单稳态触发器和施密特触发器等。

RS触发器
RS触发器即复位-置位触发器，是最简单的基本触发器。

也是构成其他复杂结构触发器的组成部分之一。

RS触发器的电路符号如图2-1所示。

具有两个输入端：置“1”输入端S；置“0”输入端R。

具有两个输出端：输出端Q和反相输出端。

表2-1为RS 触发器真值表。

图2-1 RS触发器
表2-1 RS触发器真值表
输入输出
R S Q Q
1 0 0 1
0 1 10
0 0 不变
1 1 不确定
RS触发器的特点是电路具有两个稳定状态：Q=1或Q=0。

R输入端只能使触发器处于Q=0的状态，S输入端只能使触发器处于Q=1的状态。

图2-2 RS触发器构成的消抖开关电路图
RS触发器常用于单脉冲产生、状态控制等电路中。

图2-2所示为RS触发器构成的消抖开关电路，每按一下按钮开关SB，电路输出一个单脉冲。

完全消除了机械开关触点抖动产生的抖动脉冲。

当按下SB时，输入端S=1使触发器置“l”，输出端Q=l。

这时即使SB产生机械抖动，只要机械触点不返回到R端，输出端Q仍保持“1”不变，消除了抖动脉冲信号。

同理，当松开SB时，输入端R＝1使触发器置“0”，虽然SB产生机械抖动，但输出端Q仍保持“0”不变[12]。

单稳态触发器
单稳态触发器电路符号如图2-3所示。

单稳态触发器一般具有两个触发端：上升沿触发端TR+和下降沿触发端TR-；具有两个输出端，其输出信号互为反相。

另外，还具有清零端R，外接电阻端Re，外接电容端Ce。

在单稳态触发器TR端输入一个触发脉冲，其输出端即输出一个恒定宽度的矩形脉冲，该矩形脉冲的宽度由外接定时元件Re 和Ce的大小决定。

表2-2为单稳态触发器真值表。

图2-3单稳态触发器
表2-2单稳态触发器真值表
输入输出
R TR+TR-Q Q
1 1
1 0
1 0不触发
1 1不触发
0 任意任意0 1
单稳态触发器的特点是具有两个输出状态：稳态和暂稳态。

稳态时输出端Q=0。

在输入脉冲的触发下，电路翻转为暂稳态，Q=l，经过一定时间后又自动回复到稳态（Q=0）。

单稳态触发器主要应用于脉冲信号展宽、整形、延迟电路，以及定时器、振荡器、数字滤波器、频率－电压变换器等电路中。

图2-4 单稳态触发器构成的100ms定时器电路图
1C。

改变定时元件R1和C的大小，即可改变定时时间[13]。

施密特触发器
施密特触发器电路符号如图2-5所示。

其中图2-5(a)所示为同相输出型施密特触发器，图2-5(b)所示为反相输出型施密特触发器。

施密特触发器具有一个输入端，一个输出端。

施密特触发器具有滞后电压特性，即当输入电压上升到正向阈值电压UT+时，触发器翻转；当输入电压下降到负向阈值电压UT-时，触发器再次翻转。

滞后电压△UT=U T+-U T-。

图2-6所示为施密特触发器波形图。

（a）同相型（b）反相型
图2-5施密特触发器符号
图2-6施密特触发器波形图
施密特触发器的特点是：可将缓慢变化的电压信号转变为边沿陡峭的矩形脉冲。

施密特触发器常用于脉冲整形、电压幅度鉴别、模数转换、多谐振荡器以及接口电路等。

图2-7 脉冲展宽电路图
图2-7所示为脉冲展宽电路。

由非门D1和施密特触发器D2组成。

当输入端有一正的窄脉冲Ui时,D1输出端为“0”，电容C经VD放电，施密特触发器D2输出端Uo 为“l”；当输入脉冲Ui结束后，Uo并不随之结束，而是要等C上电压充电一定时间后，Uo才变为“0”，从而使输入脉冲Ui得到展宽，展宽的宽度由R、C决定[14]。

2.2 D触发器的不同结构和不同工作方式
D型触发器又称为延迟触发器，具有数据输入端D、时钟输入端CP、输出端Q和反相输出端Q，其电路符号如图2-8所示。

D型触发器输出状态的改变依赖于时钟脉冲CP的触发，即在时钟脉冲边沿的触发下，数据由输入端D传输到输出端Q。

图2-8(a)所示为CP上升沿触发的D型触发器。

图2-8(b)所示为CP下降沿触发的D型触发器。

其真值表分别见表2-3、表2-4所示。

（a）CP上升沿D触发器（b） CP下降沿D触发器
图2-8 D型触发器
表2-3上升沿触发的D型触发器真值表
输入输出
CP D Q Q
0 0 1
1 1 0
任意不变
表2-4 下降沿触发的D型触发器真值表
输入输出
CP D Q Q
0 0 1
1 1 0
任意不变D型触发器的特点是：只有在时钟脉冲边沿的触发下，数据才得以传输而进入触发
器，没有触发信号时触发器中的数据则保持不变。

D型触发器常用于数据锁存、计数、分频等电路中。

图2-9 四个D型触发器构成的4位数据电路图
图2-9所示为四个D型触发器构成的4位数据锁存器电路。

D1～D4为数据输入端，Q1～Q4为数据输出端。

4个D型触发器的时钟输入端并联，在时钟脉冲CP上升沿的触发下，将D1～D4端的数据输入触发器，并从Q1～Q4端输出。

在下一个CP脉冲上升沿到来之前，即使D1～D4输入端的数据消失，其Q1～Q4输出端的数据仍不变，实现了所谓的“锁存”[15]。

图2-10 D型触发器构成的三级分频电路图
图2-10所示为D型触发器构成的三级分频电路。

每个D型触发器的反相输出端Q 与自身的数据输入端D相连接，构成2分频单元。

三级2分频单元串接可实现8分频电路。

增加串接的分频单元的数量，即可相应增大分频比，n级2分频单元串接可实现2n分频[16]。