阶梯波发生器的设计与实现

电子电路综合实验

阶梯波发生器设计与实现

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实验日期 ：2011 年3 月

阶梯波发生器设计与实现

一、 中英文摘要及关键词：

中文摘要：

阶梯波发生器是一个方波-三角波发生器与迟滞电压比较器够成。阶梯波是一种特殊波形，在一些电子设备及仪表中用处极大。 本实验电路由方波——三角波发生器与迟滞电压比较器构成。通过运算放大器，积分器，窄脉冲发生器以及二极管形成的控制门等主要元器件，进行合理的改进组合，从而设计出了阶梯波发生电路。实验用两个二极管作为控制门，一个是阶梯波形成控制门，另一个是阶梯波返回控制门，控制阶梯波的周期。调节相应电位器的阻值就能改变阶梯数、阶梯幅值和阶梯周期。而且通过对该电路的适当改价，可以完成一个三极管输出 特性测试电路。

关键词：阶梯波、运算放大器、迟滞电压比较器

二 实验目的：

1 通过实验进一步掌握集成运放和电压比较器的应用

2 进一步增强工程设计和实践动手能力，建立系统概念

三、实验原理

该电路是有方波-三角波发生器与迟滞电压比较器够成。第三个运算放大器U1够成迟滞电压比较器，第二个U3是积分器，第一个U4是窄脉冲发生器。两个二极管，其中D1是阶梯形成控制门，D2是阶梯返回控制门。由于U4的同相输入端加入一个正参考电压，U4输出为负脉冲。在负脉冲持续期间，二极管D1导通，积分器U3对负脉冲积分，其输出电压上升。负脉冲消失后，D1截止，积分器输入、输出电位保持不变，则形成一个台阶，积分器U3的输出的阶梯波就是迟滞比较器U1的输入，该值每增加一个台阶，U1的输入电压就增加一个值。在台阶级数较少时，U1的同相输入端的电位比反相输入端的参考电压低，使U1输出低

电平，二极管D2截止。随着台阶级数的增加，当U1同相输入端电压高于参考电压的时候，U1的输出跳变至高电平，D2导通，积分器进入正电压积分，使U3输出电位下降，直到U3输出电压降至迟滞比较器的下门限电压时，U1输出才恢复低电位D2截止，完成一个周期。

四、设计任务要求：

１ 基本要求：

１)利用所给元器件设计一个阶梯波发生器，f>=500Hz,Uopp>=3V,阶梯N=6. ２)设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL绘制完整的电路原理图(SCH); ２ 提高要求：

１)用PROTEL绘制完整的印制电路板图(PCB);

２)在接替勃发生器的基础上，设计一个三极管输出特性测试电路，在示波器上可以观测到基极电流为不同值时三极管的输出特性曲线束； ３ 探究环节：

１)提供其他阶梯波的设计方案，（通过仿真或实验结果加以证明）； ２)探究其他阶梯波发生器的应用实例，给出应用实例。

五、设计电路

1、查芯片资料

UA741资料.docx

2、总体结构图与设计思路

（1）结构图

仔细阅读试验原理及要求

分块设计阶梯波发生器

窄带脉冲发生器 积分器 迟滞比较器

计算电阻电容等器件参数

计算机仿真

若波形不符合则重新计算参数

在电路板上搭建电路

认真检查连接保证正确

实验室实际调试

（2）设计思路

运算放大器U1构成迟滞电压比较器，U2是积分器，U3为窄脉冲发生器。两个二极管，其中D16是阶梯形成控制门，D15是阶梯返回控制门。由于U3的同相输入端加入一个正参考电压，U3输出为负脉冲。在负脉冲持续期间，二极管D16导通，积分器U2对负脉冲积分，其输出电压上升。负脉冲消失后，D16截止，积分器输入、输出电位保持不变，则形成一个台阶，积分器U2的输出的阶梯波

就是迟滞比较器U1的输入，该值每增加一个台阶，U1的输入电压增加一个值。在台阶级数较少的时候，U1的同相输入端的电位比反相输入端的参考电压低，使U1输出低电平，二极管D15截止。随着台阶级数的增加，当U1的同相输入端电压高于参考电压时，U1的输出跳变至高电平，D15导通，积分器进入正电压积分，使U2输出电位下降，直到U2输出电压降至迟滞比较器的下门限电压时，U2输出才又恢复低电位D15截止，完成一个周期。

3、分块结构设计

T＝（N＋1）T’, T为阶梯波周期

2Rp1UmT1'R1C1ln1 T1’ 高电平持续时间

Rf1(UmUR1)2Rp1Um T2'R1C1ln1 T2’低电平持续时间

R(U＋U)f1mR124Rp（1Rp1Rf1)UmT'R1C1ln1 T’为脉冲波周期 222Rf1(UmUR1)

1、 窄脉冲发生器的设计

N为阶梯数。Um是脉冲波电压幅度，此电路中可由电源电压决定。Ur1取6V左右即可，为简化设计T1’和T2’的计算公式中，对数部分我们可以设为1，取R1＝100KΩ，根据已知的频率f可计算电容C的值。窄脉冲的宽度T2’可用220KΩ电位器来调节。

2、 积分器的设计

对负脉冲进行积分的时间常数为R2*C2，每积分一次C2获得的电压增量为

UC2R21C2Uon1dt0T2'T2'Uon1 R2C2欲使0～11V之间有6个阶梯，UC2应该1.8V。取R2＝100KΩ，Uon1＝11.6V。

3 、迟滞电压比较器的设计

值得注意的是，该电压比较器的参考电压加在反相输入端，在同相输入端加输入信号。根据要求，在一个周期中有6个阶梯，输出电压可以从0V到11V，则上下门限电压可以设为Uth＋＝11V，Uth－＝0V。参考电压可以用10kΩ电位器调节，或用固定电阻分压。为方便电

路调节，Rf3可以是一50kΩ左右固定电阻加上一个22kΩ电位器。为了使阶梯返回时间小于一个台阶，R3应小于R2，可以取R3为10kΩ。

4、电源电路原理图

设计说明：

电源电路包括整流、滤波、稳压等部分组成，各个部分的设计可以根据稳压的不同得到不同的结果，这里我们需要稳压到12V。该电路的设计思路是设计一个电压可调的电路，范围5~15V。由图可知，当电位器移至上端时输出电压最小，Uon=5V；当电位器移至最下端时输出电压最大，Uom=15V，故得到以下的式子：

UoNR1R1W(1)Uz5UoM(1)UZ15R1WR2

电流IR=1mA。 得到电阻方程组：

先确定稳压值Uz;一般选择Uz=UonX90%=5X0.9=4.5V。选择采样电阻中的最小

UoNR1R2WR5KIR R14.5RUoN(1)Uz()5R1WRR1

UoMR1W4.5R(1)UZ()15R2R2

解方程组得：R1=500Ω、R2=1.5KΩ、W=3KΩ。

为了保证最大输出为15V，整流输出UoI≥15+3=18V，取滤波电路输出电压UoI=1.1UEF，则变压器次级输出电压有效值UEF=UOI/1.1=18/1.1=16.4V，考虑

到市电220V有10%的波动，则UEF≥16.4/0.9=18.2V

4、PROTEL DXP仿真及电路原理图

（1）PROTEL绘制的原理图

（2）印制电路板图（PCB反白后效果图）

（3）窄带脉冲仿真及实际图

（4）U3积分器产生的阶梯波仿真及实际图

六、提高要求-------三极管输出特性测试电路

1、扩展要求：

设计一个测量NPN型晶体管输出特性曲线的电路。测量电路设置标有e,b,c引脚的插孔，当被测晶体管插入插孔并通电后，示波器屏幕上便显示出被测晶体管的输出特性曲线。设被测晶体管的电流放大系数β的最大值为300.主要设计要求如 下：

1、 用以形成锯齿波和阶梯波的矩形波电压的频率f=615Hz,误差为+10Hz，占空比为10%左右，电压幅度为-10V~+10V

2、 晶体管基极阶梯电流iB的起始值为0（不高于0.5μA）,级数为6级，每一个阶梯的电流增量为5μA，误差+10%

3、 晶体管集电极的扫描电压的起始值为0V（不高于0.1V），其幅度不低于10V。

2、框架图及原理 （1）框架图

三角波

窄脉冲矩形波 阶梯波 RB RC x 示波器

Y RE （2）原理

晶体管输出特性曲线是描述晶体管各极电流与极间关系的曲线，以基极电流作为参变量，研究集电极电流随集射极电压的变化关系，要在示波器上显示波形，实验中是用Re的电压代替集电极的电流。每一级阶梯波对应一个基极电流，并且在一个台阶上基极电压保持不变，而集电极的三角波扫描电压变化范围0V~10V，这样三极管从饱和区到放大区的输出曲线便被描绘出来，阶梯波有6个阶梯，于是在示波器上便会有六条输出曲线，每条曲线对应不同的基极电流。另外，集电极扫描电压为阶梯波发生器内部的窄脉冲矩形波经RC积分电路积分后的三角波，这样做保证了扫描电压和输入电压频率完全相同，在示波器输出时不会导致输出曲线不稳定的情况。

3、输出特性曲线及实际图

4、调试过程中的经验

1、实际操作中，我们组经过反复实验最终选择：Rb=100K Rc=2K Re=2K，RC积分电路我们也经过了反复尝试，最终选择：R=2K，C=0.01uF，合理选择参数的目的是让三角波尽量趋于锯齿波，这样输出曲线的回线现象不明显，曲线更加完美。

2、最初将电路按照设计原理连线后，示波器上显示的X-Y波形于标准输出曲线有很大差距，经过分析后，是因为阶梯波电平过小扫描电压不匹配，导致集电极电压从0变化到10V时三极管未能从深度饱和开始变化，从而使输出曲线从浅饱和开始描绘，示波器只显示了输出曲线的一部分，旋转Rp1，提高基极电平后，能够的到完整的输出曲线。

七、其他阶梯波设计方案

LM324 4148 Vcc=12V

这是一种用电流型运放组成的阶梯波发生器实用电路。运放A1及外围元件构成矩形波发生电路，输出脉冲串。运放A2及其外围元件是积分-保持电路，其积分电容对输入的脉冲积分，并保持信输入脉冲的阶跃，在输出端得到的是各次阶跃的积累，即是阶梯波。运放A3是电压比较器。当阶梯波电压上升到电源电压的80%左右时，A3发生翻转。运放A4及其外围元件是单稳态电路，A3的翻转使其输出一个脉冲（约100uFs），用来作为复位脉冲，使A2复位，从而完成一个阶梯循环。

八、 实验实现功能说明：

通过该电路完成的阶梯波发生器 实现了一个可产生频率可调，幅度可调，阶梯数可调的周期阶梯波的发生器，主要通过电位器来调节阶梯波的频率，幅度以及阶梯数。各个电位器的功能如下所示： Rp1 (10kΩ)： 用来调节阶梯波的频率 Rp3（22kΩ）： 用来调节阶梯波的幅度大小 Rf1（220kΩ）： 用来调节阶梯波的阶梯数,而在调节的同时,不会改变阶梯波的幅度

Rw3 (10kΩ)： 用来调节阶梯波的周期,而在调节的同时并不改变阶梯波的幅度

九、故障及问题分析

1、在进行WORD仿真后发现，在WORD上连线与实际情况有差距，即实际中可以优化电路连线，于是，我先按照WORD图纸连线后再对线路进行优化，这样减少了错误的发生，也使我的电路一次就连线成功，没有出现线路错误。

2、能输出窄脉冲，但是无法输出正确的阶梯波，原因是没有了解四个电位器的作用，经过逐个调试并确定每个电位器的作用后成功调出波形。

3.初调的阶梯波在幅度、频率、阶梯数并没有达到实验的要求，经过反复调解四个电位器并用示波器监测输出波形最终调出了符合实验要求的阶梯波。

4、在完成拓展实验（三极管输出特性曲线测试电路）时，输出的曲线簇不稳定，反复调试后还是无法做到输出稳定曲线，经分析和老师指导，原因是集电极扫描电压采用的是函数发生器的外部输入，而这样无法与阶梯波发生器频率完全相同，这样导致了输出曲线簇不稳定。于是，我们将阶梯波发生器内部的窄脉冲引出，通过一个RC积分电路，将窄脉冲矩形波积分成三角波座位集电极扫描电压。 十、总结与心得

1、WORD仿真创新心得

何谓创新？在某种意义上说，是一种拿来主义和个性化的结合的产物，而我

所做的正是将前人的经验同我所擅长的WORD结合起来。

根据前人经验，模电综合实验最花时间的不是原理的学习，也不是电路的调试。许多人将大量的时间花在了面包板的拆卸，以及检错上。由于面包板连线设计的不合理，或者粗心大意，而造成短路、断路等很多不必要的错误，从而导致无法得到正确的波形。于是我采取了WORD仿真。

所谓WORD仿真，其实是很简单的一种方法。首先，我在网上找到一张面包板的图片，插入到新建WORD文档中，然后，在完全理解实验电路原理的基础上，根据已有的电路仿真图，在面包板图片上连线。需要用到的工具点击插入---形状中的线段、箭头、矩形、椭圆等符号。以下是几点技巧和经验： 1、连之前先做个大致规划，如我们阶梯波电路图最基本的器件是三个运放，我们可以将运放作为主线展开，将三个运放均匀布置在面包板的中轴线上。其他器件以运放所成连线为轴均匀分布在其两侧；

2、将普通电阻和电位器用不同的样式的矩形区分开，不同的电阻用不同的颜色表示。如电阻我用 表示，电位器我用 表示，而矩形这个大类表示电阻。而电阻之间我用颜色加以区分，如R1我用 表示，R2我可以用 表示，记住在进行这项操作的过程中务必同时在记录不同颜色对应的哪一个电阻。这样操作点击：插入---形状----“矩形”画图，画出合适大小的矩形后，双击矩形会在菜单区下方弹出对矩形颜色、样式进行修改的工具栏，可根据需求设计矩形样式及颜色。

3、除了电阻用矩形表示，电容用椭圆表示，运放用一个矩形并在矩形内部加一个椭圆表示，椭圆所在位置表示1管脚位置，不同的电容、运放可参照2中的方法加以修改。

技巧方法都是我个人喜好，其他同学可根据自己习惯加以创新。WORD仿真虽然简单，但它有着明显的优点：

1、 方便修改连线，很多同学用坐标纸和画图板连线，但修改起来很麻烦，都得用橡皮擦，擦不好还会破坏正确的部分。而用WORD的删除、剪切快捷键（Ctrl+D、Ctrl+C）可以方便的修改连线；

2、 方便画图及表示，WORD提供了强大的形状库以及各种样式和颜色，画线路和电阻等元件只需简单的用鼠标一拉即可，由于元件有大量的重复，这时只

需要用复制粘贴快捷键（Ctrl+C、Ctrl+D）便可快速完成画图。

3、 易于检查错误，由于是在电脑上进行仿真连线，我们可以任意改变面包板的大小，如果你喜欢，可以将面包板放大到实际面包板的数倍大小，这样，不容易看走眼，及时出现错误了，也能在电脑上进行修改，而无需拆卸电路板。 WORD仿真就是这么简单，易于上手，同时也是一种高效、正确的方法，至少，我们组采取这种方法后，没有出现任何连线错误，在第一次调试课上就调出了波形，大大优化了我们的时间配置，让我们将更多的精力用于调试和拓展部分的思考。希望我们的方法能够分享给更多的人！

这就是我WORD仿真图

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输出 实际面包板

2、实验心得

通过本次实验，我更加深刻的了解了集成运算放大器的功能与应用，知道了放大器与不同器件（电阻、电容等）的组合可以实现多种函数的功能，如积分、微分、比较等。在阶梯波发生器实验中就是利用了几个典型的组合：积分器，窄带脉冲发生器，迟滞比较器，完成了阶梯波发生器的设计。

最初调试时能输出窄脉冲，但是无法输出正确的阶梯波，原因是没有了解四个电位器的作用，经过逐个调试并确定每个电位器的作用后成功调出波形。.初调的阶梯波在幅度、频率、阶梯数并没有达到实验的要求，经过反复调解四个电位器并用示波器监测输出波形最终调出了符合实验要求的阶梯波。在完成拓展实验（三极管输出特性曲线测试电路）时，输出的曲线簇不稳定，反复调试后还是无法做到输出稳定曲线，经分析和老师指导，原因是集电极扫描电压采用的是函数发生器的外部输入，而这样无法与阶梯波发生器频率完全相同，这样导致了输出曲线簇不稳定。于是，我们将阶梯波发生器内部的窄脉冲引出，通过一个RC积分电路，将窄脉冲矩形波积分成三角波座位集电极扫描电压。

在设计中把从课本中学到的理论应用到了实际参数计算，这是一个困难的过程，因为实际问题中我们要活学活用。另外在实际操作的时候由于连接马虎造成了不少不必要的错误，通过模块检查错误排除了一些故障，并不像以前那样是一发现错误就拆除整个电路。最终的到了基本符合要求的阶梯波波形。

在完成了大二一年的模拟电路实验课之后，我觉得自己的实际动手操作能力有了明显的提高，在计算参数的时候做到了理论联系了实际，并学到多种排查故障的方法。加强了对系统的分模块搭建，分模块测试并修正的概念。