[工学]电子信息专业阶梯波发生器的设计论文.doc

本科毕业设计（论文） 题 目 阶梯波发生器的设计 学生姓名 专业班级 电子信息科学与技术 学 号 院 （系） 计算机与通信工程学院 指导教师(职称) 完成时间 年 月 日 郑州轻工业学院 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 题目题目 阶梯波发生器的设计的 专业专业 的的电子信息科学与技术电子信息科学与技术的的学号学号1 1 1 1 姓名姓名你你 好好 主要内容：主要内容： 1、了解数字电路的开发和设计流程； 2、掌握的阶梯波发生器的设计原理和方法； 3、学习复杂的集成运算放大电路的设计； 基本要求：基本要求： 1、掌握基本数字电路的设计方法； 2、掌握电压跟随器、压控振荡器、五进制计数器、缓冲器、反相求和电路及反相器 的原理和设计方法； 3、能够运用Multisim软件设计阶梯波发生器电路，以及调试，仿真； 主要参考资料等：主要参考资料等： 1、原始资料: 1 荀殿栋程宗汇主编:实用数字电路设计手册电子工业出版社 2 阎石主编:数字电子技术基础.高等教育出版社 3 刘刚、王立香主编：Multisim Five disables counter as digital-to- analog converters switches, sent out by digital-to-analog converters ladder wave, decided to reverse the ladder wave steps numbered; Through the inverter, and ultimately the positive five order waveform. In Multisim10 platform support, easily and quickly circuit design, calculation and adjustment parameters, and virtual instrument do simulation observation and validation circuit design meets the requirements. Compared with the traditional design method, which reflects the electronic design automation time-saving, low consumption, high efficiency advantage. KEY WORDS digital circuit，multisim software，ladder wave，design simulation 阶梯波发生器的设计 0 1绪论 1.1数字电路概述 用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路， 或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。 现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数 字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二值数据的数字电路。从整体上看 ，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。1 数字电路是由许多的逻辑门组成的复杂电路。与模拟电路相比，它主要进 行数字信号的处理（即信号以0与1两个状态表示），因此抗干扰能力较强。数 字集成电路有各种门电路、触发器以及由它们构成的各种组合逻辑电路和时序 逻辑电路。一个数字系统一般由控制部件和运算部件组成，在时脉的驱动下， 控制部件控制运算部件完成所要执行的动作。通过模拟数字转换器、数字模拟 转换器，数字电路可以和模拟电路互相连接。 数字电路是以二值数字逻辑为基础的，其工作信号是离散的数字信号。电 路中的电子晶体管工作于开关状态，时而导通，时而截止。数字电路的发展与 模拟电路一样经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个时代。但其 发展比模拟电路发展的更快。从60年代开始，数字集成器件以双极型工艺制成 了小规模逻辑器件。随后发展到中规模逻辑器件；70年代末，微处理器的出现 ，使数字集成电路的性能产生质的飞跃。 数字电路在日常生活中的应用很多，尤其是数字电路和计算机技术的发展 ，使数字电路的应用越来越普遍，它已经被广泛应用于工业、农业、通信、医 疗、家用电子等各个领域，如工农业生产中用到的数控机床、温度控制、气体 检测、家用冰箱、空调的温度控制、通信用的数字手机以及正在发展中的网络 通信、数字化电视等。随着数字电路的发展，其应用将会越来越广泛，它将会 深入到生活的每一个角落。 阶梯波发生器的设计 1 随着数字技术的迅猛发展，在半导体工艺、平版印刷、金属化和封装等技 术进步的支持下，比以往更快、更复杂的数字电路正在成为现实。运算速度高 达3GHz、集成了近1亿个晶体管的64位微处理器即为一例。快闪存储器的容量达 到了12GB。某些ASIC所具有的门电路的数量超过了一千万，而FPGA目前则宣 称具有三百万个门电路和数GHz的I/O端口。 在计算能力不断提高的同时，由于新型存储单元结构的出现，快闪存储器 的单片存储密度有望达到4GB。处在这一技术前沿的两种主要方案包括多级存储 单元（Multilevel Cell）和镜像位（Mirror- bit）。多级存储单元通过将各比特编码到四个电荷级中的方法，允许在每个存 储单元中存储两个数据位。镜像位方案通过把每个比特存储在一个绝缘栅两端 的方法在每个存储单元中存储两个比特。 1.1.1数字电路分类 组合逻辑电路 组合逻辑电路简称组合电路，由最基本的逻辑门电路组合而成。特点是： 输出值只与当时的输入值有关，即输出惟一地由当时的输入值决定。电路没有 记忆功能，输出状态随着输入状态的变化而变化，类似于电阻性电路，如加法 器、译码器、编码器、数据选择器等都属于此类。 时序逻辑电路 时序逻辑电路简称时序电路，它是由最基本的逻辑门电路加上反馈逻辑回 路（输出到输入）或器件组合而成的电路，与组合电路最本质的区别在于时序 电路具有记忆功能。时序电路的特点是：输出不仅取决于当时的输入值，而且 还与电路过去的状态有关。它类似于含储能元件的电感或电容的电路，如触发 器、锁存器、计数器、移位寄存器、存储器等电路都是时序电路的典型器件。 1.1.2数字电路特点 阶梯波发生器的设计 2 随着计算机科学与技术突飞猛进地发展，用数字电路进行信号处理的优势 也更加突出。为了充分发挥和利用数字电路在信号处理上的强大功能，我们可 以先将模拟信号按比例转换成数字信号，然后送到数字电路进行处理，最后再 将处理结果根据需要转换为相应的模拟信号输出。自20世纪70年代开始，这种 用数字电路处理模拟信号的所谓“数字化”浪潮已经席卷了电子技术几乎所有 的应用领域。 具有算术运算和逻辑运算功能 数字电路是以二进制逻辑代数为数学基础，使用二进制数字信号，既能进 行算术运算又能方便地进行逻辑运算（与、或、非、判断、比较、处理等）， 因此极其适合于运算、比较、存储、传输、控制、决策等应用。 实现简单，系统可靠 以二进制作为基础的数字逻辑电路，可靠性较强。电源电压的小的波动对 其没有影响，温度和工艺偏差对其工作的可靠性影响也比模拟电路小得多。 集成度高，功能实现容易 集成度高，体积小，功耗低是数字电路突出的优点之一。电路的设计、维 修、维护灵活方便，随着集成电路技术的高速发展，数字逻辑电路的集成度越 来越高，集成电路块的功能随着小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（M SI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）的发展也从元件 级、器件级、部件级、板卡级上升到系统级。电路的设计组成只需采用一些标 准的集成电路块单元连接而成。对于非标准的特殊电路还可以使用可编程序逻 辑阵列电路，通过编程的方法实现任意的逻辑功能。2 1.1.3数字电路的发展 发展历史：与模拟电路一样，数字电路经历了由电子管、半导体分立器 件到集成电路等几个阶段。但数字集成电路比模拟集成电路的发展更快，使数 字集成电路的性能产生了质的飞跃。 阶梯波发生器的设计 3 器件工艺的发展：逻辑门是一种重要的逻辑单元电路。TTL逻辑门电路 问世较早，其工艺经过不断 改进，至今已成为主要的基本逻辑器件之一。随着MOS工艺特别是CMOS工艺 的发展，TTL的主导地位有被CMOS器件所取代的趋势。近年来，可编程逻辑 器件（PLD）特别是现场可编程门阵列（FPGA）的飞速进步，使数字电子技术 开创了新局面，不仅规模大，而且将硬件与软件相结合，使器件的功能更加完 善，使用也更加灵活。 阶梯波发生器的设计 4 2Multisim10软件介绍 2.1Multisim10简介 NI Multisim 10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了 “软件即元器件”、“软件即仪器”。NI Multisim 10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。 NI Multisim10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或 扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用 手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。NI Multisim10的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用 表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没 有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、 频谱分析仪和网络分析仪等。NI Multisim10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分 析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析 、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以 帮助设计人员分析电路的性能。利用NI Multisim10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实 验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验， 修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类 型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出 实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验 所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计 和实验成功的电路可以直接在产品中使用。3 阶梯波发生器的设计 5 NI Multisim10 软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进 行设计和验证。凭借NI Multisim10，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE 模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流 程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW 和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较 具有模拟数据的实现建模测量。 2.1.1基本界面介绍 Multisim 10 打开后的界面如下图所示：主菜单包括【File】、【Edit】、【View】等菜单， 主要用于文件的创建、管理、编辑、窗体的管理以及电路仿真软件的各种操作 命令。如图2-1所示。 图2-1 基本界面介绍 工具栏提供了常用命令的快捷方式。仪器仪表工具栏提供了在电路仿真过 程中会用到的各种虚拟仪器。Multisim为设计者提供了大量的虚拟仪表，如数 阶梯波发生器的设计 6 字万用表、失真度分析仪、函数信号源、双踪示波器、扫描源、频谱仪、LabVi ew虚拟仪器等。利用这些仪器仪表，用户可以对设计的电路进行各种综合分析 和测量，使用户使用起来非常方便。如图2-2所示 图2-2 工具栏 设计窗口是互用进行电路设计的工作区域，如图2-3所示 图2-3 设计窗口 2.1.2元件库的介绍 阶梯波发生器的设计 7 1、Source库：包括电源、信号电压源、信号电流源、可控电压源、可控电 流源、函数控制器件6个类。 2、BASIC库：包含基础元件，如电阻、电容、电感、二极管、三极管、开 关等； 3、Diodes：二极管库，包含普通二极管、齐纳二极管、二极管桥、变容二 极管、PIN二极管、发光二极管等。 4、Transisitor库：三极管库，包含NPN、PNP、达林顿管、IGBT、MOS管 、场效应管、可控硅等； 5、Analog库：模拟器件库，包括运放、滤波器、比较器、模拟开关等模拟 器件 6、TTL库：包含TTL型数字电路 如7400 7404等门BJT电路。 7、COMS库：COMS型数字电路 如74HC00 74HC04等MOS管电路。 8、MCU Model： MCU模型，Multisim的单片机模型比较少，只有8051 PIC16的少数模型和一些ROM RAM等 9、Advance Periphearls库：外围器件库，包含键盘、LCD、和一个显示终端的模型。 10、MIXC Digital：混合数字电路库，包含DSP、CPLD、FPGA、PLD、单片机- 微控制器、存储器件、一些接口电路等数字器件。 11、Mixed：混合库，包含定时器、AC/DA转换芯片、模拟开关、震荡器 等； 12、Indicators：指示器库，包含电压表、电流表、探针、蜂鸣器、灯、数 码管等等显示器件。 13、Power：电源库，包含保险丝、稳压器、电压抑制、隔离电源等 14、Misc：混合库，包含晶振、电子管、滤波器、MOS驱动、和其他一些 器件等 阶梯波发生器的设计 8 15、RF：RF库，包含一些RF器件，如高频电容电感、高频三极管等 16、Elector Mechinical：电子机械器件库，包含传感开关、机械开关、继电器、电机等。4 2.1.3虚拟仪器仪表的使用 Multisim10的仪器库存放有数字多用表、函数信号发生器、示波器、波特 图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、瓦特表、失真度分析仪、网 络分析仪、频谱分析仪11种仪器仪表可供使用，仪器仪表以图标方式存在。 数字多用表（Multimeter）是一种可以用来测量交直流电压、交直流电流、 电阻及电路中两点之间分贝损耗，自动调整量程的数字显示的多用表。 函数信号发生器（Function Generator）是可提供正弦波、三角波、方波三种不同波形的信号的电压信号源 。 瓦特表（Wattmeter）用来测量电路的功率，交流或者直流均可测量。 示波器（Oscilloscope）用来显示电信号波形的形状、大小、频率等参数的 仪器。波特图仪（Bode Plotter）可以用来测量和显示电路的幅频特性与相频特性，类似于扫频仪。 字信号发生器（Word Generator）是能产生16路（位）同步逻辑信号的一个多路逻辑信号源，用于对 数字逻辑电路进行测试。 逻辑分析仪（Logic Analyzer）用于对数字逻辑信号的高速采集和时序分析，可以同步记录和显示1 6路数字信号。 失真分析仪（Distortion Analyzer）是一种用来测量电路信号失真的仪器，multisim提供的失真分析仪频 率范围为20Hz20kHz。 阶梯波发生器的设计 9 频谱分析仪（Spectrum Analyzer）用来分析信号的频域特性，multisim提供的频谱分析仪频率范围上限 为4GHz。 网络分析仪（Network Analyzer）是一种用来分析双端口网络的仪器，它可以测量衰减器、放大器、 混频器、功率分配器等电子电路及元件的特性。Multisim提供的网络分析仪可 以测量电路的S参数并计算出H、Y、Z参数。 IV（电流/电压）分析仪用来分析二极管、PNP和NPN晶体管、PMOS和C MOS FET的IV特性。注意：IV分析仪只能够测量未连接到电路中的元器件。 Multisim10提供测量探针和电流探针。在电路仿真时，将测量探针和电流 探针连接到电路中的测量点，测量探针即可测量出该点的电压和频率值。电流 探针即可测量出该点的电流值。 电压表和电流表都放在指示元器件库中，在使用中数量没有限制。5 2.1.4仿真分析方法 1、直流工作点分析（DC Operating Point Analysis） 直流工作点分析也称静态工作点分析，电路的直流分析是在电路中电容开 路、电路短路时，计算电路的直流工作点，即在恒定激励条件下电路的稳态值 。在电路工作时，无论是大信号还是小信号，都必须给半导体器件以正确的偏 置，以便使其工作在所需的区域，这就是直流分析要解决的问题。了解电路的 直流工作点，才能进一步分析电路在交流信号作用下电路能否正常工作。求解 电路的直流工作点在电路分析过程中是至关重要的。 2、交流分析（AC Analysis） 交流分析是在正弦小信号工作条件下的一种频域分析。它计算电路的幅 频特性和相频特性，是一种线性分析方法。Multisim 10在进行交流频率分析时，首先分析电路的直流工作点，并在直流工作点处 阶梯波发生器的设计 10 对各个非线性元件做线性化处理，得到线性化的交流小信号等效电路，并用 交流小信号等效电路计算电路输出交流信号的变化。在进行交流分析时，电 路工作区中自行设置的输入信号将被忽略。无论给电路的信号源设置的是三 角波还是矩形波，进行交流分析时，都将自动设置为正弦波信号，分析电路 随正弦信号频率变化的频率响应曲线。 3、瞬态分析（Transient Analysis） 瞬态分析是一种非线性时域分析方法，是在给定输入激励信号时，分析 电路输出端的瞬态响应。Multisim在进行瞬态分析时，首先计算电路的初始 状态，然后从初始时刻起，到某个给定的时间范围内，选择合理的时间步长 ，计算输出端在每个时间点的输出电压，输出电压由一个完整周期中的各个 时间点的电压来决定。启动瞬态分析时，只要定义起始时间和终止时间，M ultisim可以自动调节合理的时间步进值，以兼顾分析精度和计算时需要的时 间，也可以自行定义时间步长，以满足一些特殊要求。 4、傅里叶分析（Fourier Analysis） 傅里叶分析是一种分析复杂周期性信号的方法。它将非正弦周期信号分 解为一系列正弦波、余弦波和直流分量之和。 5、失真分析（Distortion Analysis） 放大电路输出信号的失真通常是由电路增益的非线性与相位不一致造成 的。增益的非线性将会产生谐波失真，相位的不一致将产生互调失真。Mult isim失真分析通常用于分析那些采用瞬态分析不易察觉的微小失真。如果电 路有一个交流信号，Multisim的失真分析将计算每点的二次和三次谐波的复 变值；如果电路有两个交流信号，则分析三个特定频率的复变值，这三个频 率分别是：（f1+f2），（f1-f2），（2f1-f2）。 6、噪声分析（Noise Analysis） 电路中的电阻和半导体器件在工作是都会产生噪声，噪声分析就是定量 分析电路中噪声的大小。Multisim提供了热噪声、散弹噪声和闪烁噪声等3 阶梯波发生器的设计 11 种不同的噪声模型。噪声分析利用交流小信号等效电路，计算由电阻和半导 体器件所产生的噪声总和。假设噪声源互不相关，而且这些噪声值都独立计 算，总噪声等于各个噪声源对于特定输出接点的噪声均方根之和。 7、直流扫描分析（DC Sweep Analysis） 直流扫描分析是根据电路直流电源数值的变化，计算电路相应的直流工作 点。在分析前可以选择电源的变化范围和增量。在进行直流扫描分析时，电路 中的所有电容视为开路，所有电感视为短路。 在分析前，需要确定扫描的电源是一个还是两个，并确定分析的节点。如 果只扫描一个电源，得到的是输出节点值与电源值的关系曲线。如果扫描两个 电源，则输出曲线的数目且等于第二个电源被扫描的点数。第二个电源的每一 个扫描值，都对应一条输出节点值与第一个电源值的关系曲线。 8、灵敏度分析（Sensitivity Analysis） 是分析电路特性对电路中元器件参数的敏感程度。灵敏度分析包括直流灵 敏度分析和交流灵敏度分析功能。直流灵敏度分析的仿真结果以数值的形式显 示，交流灵敏度分析仿真的结果以曲线的形式显示。 9、参数扫描分析（Parameter Sweep Analysis） 采用参数扫描方法分析电路，可以较快地获得某个元件的参数，在一定范 围内变化时对电路的影响。相当于该元件每次取不同的值，进行多次仿真。对 于数字器件，在进行参数扫描分析时将被视为高阻接地。 10、温度扫描分析（Temperature Sweep Analysis） 温度扫描分析可以同时观察到在不同温度条件下的电路特性，相当于该元 件每次取不同的温度值进行多次仿真。可以通过“温度扫描分析”对话框，选 择被分析元件温度的起始值、终值和增量值。在进行其它分析的时候，电路的 仿真温度默认值设定在27。6 11、零一极点分析（Pole Zero Analysis） 零一极点分析是一种对电路的稳定性分析相当有用的工具。该分析法可以 阶梯波发生器的设计 12 用于交流小信号电路传递函数中零点和极点的分析。通常先进行直流工作点分 析，对非线性器件求得线性化的小信号模型。在此基础上再分析传输函数的零 、极点。零极点分析主要用于模拟小信号电路的分析，对数字器件将被视为高 阻接地。 12、最坏情况分析（Worst Case Analysis） 最坏情况分析可以使你观察到在元件参数变化时，电路特性变化的最坏可 能性。适合于 对模拟电路值流和小信号电路的分析。所谓最坏情况是指电路中的元件参数在 其容差域边界点上取某种组合时所引起的电路性能的最大偏差，而最坏情况分 析是在给 定电路元件参数容差的情况下，估算出电路性能相对于标称值时的最大偏差。 13、传输函数分析（Transfer Function Analysis） 传输函数分析可以分析一个源与两个节点的输出电压或一个源与一个电流 输出变量之 间的直流小信号传递函数。也可以用于计算输入和输出阻抗。需先对模拟电路 或非线性器件进行直流工作点分析，求得线性化的模型，然后再进行小信号分 析。输出变量可以是电路中的节点电压，输入必须是独立源。 14、蒙特卡罗（Monte Carlo Analysis） 是采用统计分析方法来观察给定电路中的元件参数，按选定的误差分布类 型在一定的范围内变化时，对电路特性的影响。用这些分析的结果，可以预测 电路在批量生产时的成品率和生产成本。 15、批处理分析（Batched Analysis） 在实际电路分析中，通常需要对同一个电路进行多种分析，例如对一个放 大电路，为了确定静态工作点，需要进行直流工作点分析：为了了解其频率特 性，需要进行交流分析；为了观察输出波形，需要进行瞬态分析。批处理分析 可以将不同的分析功能放在一起依序执行。 阶梯波发生器的设计 13 2.2Multisim10的特点 通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路 整个界面就像是一个电子实验工作平台，绘制电路所需的元器件和仿真所 需的仪器仪表均可直接拖放到工作区中，轻点鼠标即可完成导线的连接，软件 仪器的控制面板和操作方式与实务相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真 实仪器上看到的一样。 丰富的测试仪器仪表和元器件库 除了EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、示波器、扫频仪、字信号发 生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，还新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析 仪和网络分析仪，且所有仪器均可多台同时调用。同时NI Multisim10大大扩充了EWB的元件库，包括基本元件、半导体元件、TTL，以及 CMOS数字IC、DAC、ADC、MCU、和其他各种部件，且用户可通过元件编辑 器自行创建和修改所需元件模型，还可通过公司官方网站和代理商获得元件模 型的扩充和更新服务。 通过交互式SPICE 仿真, 迅速了解电路行为 NI Multisim10既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真， 尤其新增了频射电路的仿真功能。仿真失败时会显示错误消息、提示可能出错 的原因，仿真结果可随时储存和打印。 借助高级电路分析, 理解基本设计特征； 除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、失 真分析、噪声分析、直流扫描分析、灵敏度分析、参数扫描分析、温度扫描分 析、零一极点分析、最坏情况分析、传输函数分析、蒙卡特罗分析外，新增了 批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，能基本满足电子电 路设计和分析的要求。7 阶梯波发生器的设计 14 3阶梯波发生器电路的设计 3.1阶梯波发生器的介绍 波形发生器是一种数据信号发生器，在调试硬件时，常常需要加入一些信号， 以观察电路工作是否正常。用一般的信号发生器，不但笨重，而且只发一些简单的 波形，不能满足需要。例如用户要调试串口通信程序时，就要在计算机上写好一段 程序，再用线连接计算机和用户实验板，如果不正常，不知道是通讯线有问题还是 程序有问题。根据波形可分为正弦波、方波、三角波和阶梯波发生器等。 3.2系统相关元件介绍 3.2.1电压跟随器 电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入 阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更 低。电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。共集电路的输入高阻抗， 输出低阻抗的特性，使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级 的放大电路更好的工作。举一个应用的典型例子：电吉他的信号输出属于高阻， 接入录音设备或者音箱时，在音色处理电路之前加入这个电压跟随器，会使得阻 抗匹配，音色更加完美。很多电吉他效果器的输入部分设计都用到了这个电路。 8 电压隔离器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级 电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。 电压跟随器常用作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时称之为缓冲 级。基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点。 电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极端一点去理解，当输入 阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当 于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路 阶梯波发生器的设计 15 ，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之 间互不影响。 3 2 114 1 A1A TL084CD R1 3k 5% R6 3k 5% 图3-1 电压跟随器电路图 图3-2 TL084CD管脚分布图 图3-3 TL084CD在电路中的符号 共集电路的输入高阻抗，输出低阻抗的特性，使得它在电路中可以起到阻抗匹 配的作用，能够使得后一级的放大电路放大电路。放大电路是指能把微弱的信号放 大的电路，是构成其他模拟电路（如滤波、振荡、稳压等功能电路）的基本单元电 路，大多数模拟电子系统中都应用了不同类型的放大电路。“放大”是最基本的模 拟信号处理功能，其本质是实现能量的控制（即能量的转换）：用能量比较小的输 阶梯波发生器的设计 16 入信号来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。放大的对象 是变化量，放大的前提是传输不失真。 更好的工作。举一个应用的典型例子：电吉他的信号输出属于高阻，接入录音设备 或者音箱时，在音色处理电路之前加入这个电压跟随器，会使得阻抗配匹，音色更 加完美。很多电吉他效果器的输入部分设计都用到了这个电路。9 3.2.2压控振荡器 指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是输入信号电 压的函数的振荡器VCO，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压 的控制，就可构成一个压控振荡器。 图3-4 压控振荡器的控制特性 其特性用输出角频率0与输入控制电压uc之间的关系曲线(图1)来表示。图 中,uc为零时的角频率0,0称为自由振荡角频率；曲线在0,0处的斜率K0称为控 制灵敏度。在通信或测量仪器中，输入控制电压是欲传输或欲测量的信号（调制 信号）。人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。在自动频率控 制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的 一个受控部件。 阶梯波发生器的设计 17 压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。对 压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频 偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调 频范围窄，RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之 间。 3.2.3五进制计算器74LS90 本设计使用74LS90作为计数器,74LS90引脚图及引脚功能。10 74LS90计数器是一种中规模二一五进制计数器，管脚引线如图3- 3，功能表如表3-1所示。 表3-1 74LS90计数器功能表 复位输入输出 R1R2S1S2QDQCQBQA HHLLLLL HHLLLLL HHHLLH XLL计数 LL计数 LL计数 LL计数 A 将输出QA与输入B相接，构成8421BCD码计数器； B 将输出QD与输入A相接，构成5421BCD码计数器； C 表中H为高电平、L为低电平、为不定状态。 74LS90逻辑电路图如图3.6- 1所示，它由四个主从JK触发器和一些附加门电路组成，整个电路可分两部分，其中 FA触发器构成一位二进制计数器；FD、FC、FB构成异步五进制计数器，在74LS90计 数器电路中，设有专用置“0”端。 R1、R2和置位（置“9”）端S1、S2。 阶梯波发生器的设计 18 74LS90具有如下的五种基本工作方式： （1）五分频：即由FD、FC、和FB组成的异步五进制计数器工作方式。 （2）十分频（8421码）：将QA与CK2联接，可构成8421码十分频电路。 （3）六分频：在十分频（8421码）的基础上，将QB端接R1，QC端接R2。其计 数顺序为000101，当第六个脉冲作用后，出现状态QCQBQA=110，利用QBQC=11反 馈到R1和R2的方式使电路置“0”。 （4） 九分频：QAR1、QDR2，构成原理同六分频。 （5）十分频（5421码）：将五进制计数器的输出端QD接二进制计数器的脉冲 输入端CK1，即可构成5421码十分频工作方式。 此外，据功能表可知，构成上述五种工作方式时，S1、S2端最少应有一端接地 ；构成五分频和十分频时，R1、R2端亦必须有一端接地。 图3-5 74LS90逻辑电路图 阶梯波发生器的设计 19 表3-2 运放A1D,A1C输出电压随计数器74LS90状态转换状态转换表11 3.2.4缓冲器 缓冲寄存器又称缓冲器，它分输入缓冲器和输出缓冲器两种。前者的作用是将 外设送来的数据暂时存放，以便处理器将它取走；后者的作用是用来暂时存放处理 器送往外设的数据。有了数控缓冲器，就可以使高速工作的CPU与慢速工作的外设起 协调和缓冲作用，实现数据传送的同步。12 3.2.5反相求和电路 它的电路图如图所示： 图3-6 反相求和电路 74LS90A1D输出A1C输出 QDQCQBA1D(V)A1C(V) 00000 001-1.252 010-2.54 011-3.756 100-5.08 阶梯波发生器的设计 20 （输入端的个数可根据需要进行调整）其中电阻 R为: R=R1/R2/R3/Rf （3-1） 它可以模拟方程：。它的特点与反相比例电路相同。 它可十分方便的某一电路的输入电阻，来改变电路的比例关系，而不影响其它路的 比例关系。13 3.2.6反相器 反相器是可以将输入信号的相位反转180度，这种电路应用在摸拟电路，比如说 音频放大，时钟振荡器等。在电子线路设计中,经常要用到反相器。14 图3-7 反相器电路图 3.3阶梯波发生器电路的设计与仿真 3.3.1硬件电路设计 电路由电压跟随器、压控振荡器、五进制计数器、缓冲器、反相求和电路及反 相器组成，直流电源用来提供稳定的电流；压控振荡器产生方波，其频率主要由输 入电压决定，可以改变阶梯波的频率；五进制计数器作为数模转换器的开关，通过 阶梯波发生器的设计 21 数模转换器送出反向的阶梯波，决定阶梯波的台阶数；通过反相器，最终得到正向 的五阶波形。15 图3-8 阶梯波发生器电路框图 电路图如下所示 图3-9 阶梯波发生器电路图 3.3.2仿真 1、Multisim 10打开后的界面如图3-8所示： 2、主要有菜单栏，工具栏，缩放栏，设计栏，仿真栏，工程栏，元件栏，仪器 栏，电路图编辑窗口等部分组成。 3、选择文件/新建/原理图，即弹出图主设计窗口。 电压跟 随器 压控 振荡 器 五进制 计数器 缓冲 器 反向求 和电路 反相器 阶梯波发生器的设计 22 4、按设计的电路图进行连接，如图3-9所示。 图3-8 Multisim 10的界面图 图3-12 阶梯波发生器电路图 阶梯波发生器的设计 23 3.3.3仿真结果 图3-13 阶梯波发生器仿真结果 U2B改接74LS90的12接口，阶梯波阶梯发生变化，电路如图3-14 图3-14 阶梯波发生器阶梯改变仿真电路 阶梯波发生器的设计 24 仿真结果如图3-15 图3-15 阶梯波发生器阶梯改变仿真结果 改变输入电压，阶梯波的频率发生变化，如图3-16 图3-16 阶梯波发生器频率改变仿真电路 阶梯波发生器的设计 25 仿真结果如图3-17所示 图3-17 阶梯波发生器频率改变仿真结果 3.4与模拟电路的比较 产生阶梯波不是只有数电器件可以实现，模拟电子器件同样可以实现，先是方 波发生器，之后，通过微分电路，限幅电路，最后，积分累加及比较器电路便可产 生阶梯波。 但比较来说，数字电路结构简单，容易制造，便于集成和系列化生产。成本低 廉，使用方便，由数字电路组成的数字系统，工作准确可靠，精度高。数字电路不 仅能完成数值运算，还可以进行逻辑运算和判断，在控制系统中这是不可缺少的 数字电路相对于模拟电路的这一系列优点，使它在通信、自动控制、测量仪器及计 算机等各个科学领城内得到广泛的应用。当今时代，数字电路已广泛地应用于各个 领域。 阶梯波发生器的设计 26 结束语 数字电路有易于集成、传输质量高、有运算和逻辑推理能力等优点，因此被广 泛用于计算机、自动控制、通信、测量等领域。一般家电产品中，如定时器、告警 器、控制器、电子钟表、电子玩具等都要用数字电路。数字电路中有门电路和触发 器两种基本单元电路，它们