哈工大模电自主设计实验——阶梯波发生电路的设计与分析

1、姓名班级学号实验日期 节次教师签字 成绩阶梯波发生电路的设计与分析1. 实验目的1、掌握阶梯波发生器电路的结构特点。2、掌握阶梯波发生器电路的工作原理。3、学习如何用Multisim进行电路仿真。4、学习复杂的集成运算放大器电路的设计。2. 总体设计方案或技术路线1、要设计阶梯波发生电路，首先要设计一个方波发生电路，然后通过微分电路，会得 到上下均有尖脉冲的波形。这时要只取上面的尖脉冲，就需通过限幅电路滤除下半部分的波 形。当这些脉冲经过积分运算电路时，一个尖脉冲累加为一个固定的值，在没有尖脉冲时， 积分器保持输出不变。下一个脉冲到来时又会增加同样的一个值，于是输出形成了阶梯波形。2、改变电路

2、元件的参数值，探究其于输出的阶梯波各项指标的关系。3. 实验电路图图1阶梯波发生电路4. 仪器设备名称、型号1、运算放大器卩A742个2、二极管若干3、电阻，电容若干4、导线若干5、数字万用表6、可编程线性直流稳压电源7、Agile nt DSO-X2002A 型示波器8、电子技术试验箱9、集成运算放大器应用子板5. 理论分析或仿真分析结果1、方波发生电路设计方波发生电路由滞回比较器和RC电路构成。滞回比较器引入正反馈，产生振荡，使输出电压仅有高低电平两种状态，且自动相互转换。RC电路起延时作用和反馈作用，使电路的输出电压按一定时间间隔在高低电平之间交替变化，形成方波。电路如图2所示，从图3所

3、示的示波器中可读出方波的周期为4.017ms。15.0V示液器-仪1图3方波波形2、微分电路设计在上图所示的方波发生电路的输出端接电阻Rq和电容C2即可组成图4所示的微分电路，原理与运放组成的微分运算电路相同，这里不再叙述。示波器所得的输出波形为尖脉冲波形，如图5所示。15.0V图4方波发生电路+微分电路匾道B标度：2ms/Dlv孩 1度:5 V/tXv5 V/tv边沿:X轴位移（特；oY轴位移0&； 0釉位移（格）：0京平:0VF/T淖加丨E/A 礙丨軽匸ng*T2住芈T2-T1时闾 3-179 ms 7.350 ms 4.171 ms通直丸10.783 V10.606 V-176.177

4、mV外袖发图5尖脉冲波波形3、限幅电路设计限幅电路的作用是将负半周期的尖脉冲滤除掉。利用二极管的单向导电性来进行限幅, 电路如图6所示。示波器显示的单边尖脉冲如图7所示。VEE-15.0VRf-AAA,100kQLT FT47nQk3 oR 1VCCD31N4148R510kQD41N4148D1图7单侧尖脉冲波波形4、积分累加电路设计用集成运放组成的积分电路实现积分累加，在图6所示电路的基础上连接积分累加电路如图8所示，打开仿真开关，可以得到积分运算后的输出波形如图9所示。图8方波发生电路+微分电路+限幅电路+积分运算电路图9阶梯波波形亍:菠器-冥乂1图10阶梯波波形至此，完整的阶梯波发生电

5、路已经搭接完成，如图8所示。输出的阶梯波波形如图9和图10所示，峰峰值为25.9V,每个阶梯宽度为 3.9ms，阶梯数为6个。6. 详细实验步骤及实验结果数据记录（实验原始数据记录部分，具体数据见下 方实验结论）1、根据图2连接电路，并利用示波器记录阶梯波波形。图11实际电路连接图12方波波形（峰峰值 12.1V，周期4.15ms）2 5 00V?n.n； 2.000?/ 自的 f 2图13尖脉冲波波形（峰峰值22.5V，周期4.13ms）U.U:停1LAgilentFisil一：f OO Ha師號援式 2b0Ta/s昭削：无信码嵯闻值匸|;ir .3X百.2316113O 時右也置言忙a图1

6、4单侧尖脉冲波波形（峰值10.3V,周期4.23ms）12 5.TV/326 0：5.000：/ 條上 f 2 J 4M图15阶梯波波形(峰峰值 27.3V，阶梯数6 个)2、改变元件参数确定其作用。(1 )只影响阶梯宽度的量。1保持其他部分不变，改变 Rf的值，记录阶梯的宽度 a，并判断Rf与宽度a的关系。R kloo200300宽度a/ms4.128.3312.212保持其他部分不变，改变 Cl的值，记录阶梯的宽度 a，并判断g与宽度a的关系。C1/ nF47100220宽度a/ms4.128.7719.313保持其他部分不变，改变 R2的值，记录阶梯的宽度 a，并判断R2与宽度a的关系。

7、R2/ k102030宽度a/ ms4.125.146.534保持其他部分不变，改变 Ri的值，记录阶梯的宽度 a，并判断R与宽度a的关系。R / k102030宽度a/ ms6.584.584.12(2) 只影响阶梯高度的量(以下记录的阶梯高度为平均阶梯高度) 1微分电路对波形高度影响 C2的值会影响阶梯高度，当其余值保持不变，仅改变C2的值，测量阶梯高度，判断其与阶梯高度的关系。C2/ nF47100220阶梯高度/ V4.9610.9222.67 R3的值也会影响阶梯高度，当其余值保持不变，仅改变Rj的值，测量阶梯高度，判断其与阶梯高度的关系。R3 / k102030阶梯高度/ V4.9

8、66.506.832积分电路对波形高度影响Cj的值会影响阶梯高度，当其余值保持不变，仅改变G的值，测量阶梯高度，判断其与阶梯高度的关系。C3 / nF47100220阶梯高度/ V4.962.361.07Rs的值也会影响阶梯高度，当其余值保持不变，仅改变Rs的值，测量阶梯高度，判断其与阶梯高度的关系。&/k102030阶梯高度/ V4.966.036.42 R6的值也会影响阶梯高度，当其余值保持不变，仅改变Rs的值，测量阶梯高度，判断其与阶梯高度的关系。R /k102030阶梯高度/ V4.962.972.27(3) 同时改变阶梯波每个阶梯宽度a和高度的量1改变R4时，波形也会发生变化。改变的

9、值，判断其与阶梯波电压高度和每个阶梯宽度a的关系。R4/k22030阶梯高度/ V4.963.842.73宽度a/ ms4.125.475.817. 实验结论1、 在考察阶梯波发生电路中方波发生电路对阶梯宽度a的影响时，发现当成倍增大Rf或Cl的值时，阶梯波的阶梯宽度 a的值增大，且与 Rf或Cl的值大致呈线性关系。而若只 增大R2值，阶梯宽度a会增大，只增大 r的值，阶梯宽度会减小，但和r2或r的值不是线性关系。2、 在考察阶梯波发生电路中微分电路对阶梯高度的影响时，发现若只增大C2的值，阶梯高度的值也会增大，且与 C2的值大致呈线性关系。而若只增大R3的值，阶梯高度也会增加，但与R3并非呈

10、线性关系。3、 在考察阶梯波发生电路中积分电路对阶梯高度影响时，发现若只增大C3的值，阶梯高度会随之减小，经计算得，C3的值与阶梯高度大致呈反比。而若只改变&或Rj的值，发现若只增大R4的阶梯的高度也会随之减小，但与R,或Rs的值并不呈比例关系。4、在考察阶梯波发生电路中同时影响阶梯宽度和阶梯宽度的量时,值，阶梯高度会随之减小，阶梯宽度会随之增大，但均与r4的值不呈比例关系。综上，通过对以上数据的分析可见：一、 影响阶梯宽度的量主要有Rf、G、r2和Rl。通过查资料可得到理论上阶梯波的阶梯宽度a 1.7RfC11n(1 空今。由理论公式可得 Rf和Cl与阶梯宽度呈线性关系，r2和RiR与阶梯宽

11、度并非呈线性关系。而实际测量的值也与理论上的公式较为吻合。二、影响阶梯高度的量有 R3、C2、R.、R,和C3。根据微分运算电路和积分器运算电路的原理，理论上，阶梯高度与成线性关系。实际上，根据实验所测，对于电容C3 R3来说，此关系正确，但对于电阻来说，此关系并不能准确刻画。其实这样的线性关系是忽略 了阶梯发生电路中的单向限幅电路的影响。因此，对于本实验的阶梯波发生影响输出波形的主要是电容元件。8. 实验中出现的问题及解决对策出现的问题：、本实验需要给 卩A74加土 15V的直流电压，而实验室实验箱上的额定电压仅为12V。若将土 15V直流电压直接加到实验箱上，可能造成实验箱内部直流信号源损

12、坏。2、由于阶梯波产生的时间非常短，为几十毫秒的级别，且并不呈现周期性。因此，若 按照示波器开机时的默认扫描时间，则无法捕捉到产生的阶梯波。3、 实际实验中测出的阶梯波波形每个阶梯的高度略有差别，如果直接测最顶端阶梯的 高度，得出的结果可能会有所误差。解决对策1、将导线直接与集成运放子板三根电源接线柱相接。2、 将示波器的扫描时间延长，直到接通电源后阶梯波能缓慢的在示波器屏幕上完整地显示出来即可。当示波器完整地在屏幕中出现时，锁定屏幕，再将扫描时间缩短，此时阶梯波波形便能较为理想地呈现在屏幕上。Vpp1 Vpp2n3、用光标测量屏幕上显示出的阶梯波的峰峰值Vpp1 ,减掉小于一个阶梯高度的阶梯

13、的 峰峰值Vpp2。若阶梯个数为n,则最后得出的阶梯高度为9. 本次实验的收获和体会、对电路实验室的意见或建议收获与体会：在本次自主设计实验中，我经历了一个从查阅资料、设计实验到实际操作、数据分析 的过程，我对所学的模电理论知识有了更加深刻的理解，并且初步了解了模拟电路的设计， 仿真以及调试的方法，并学会使用仿真软件 multisim 。通过这次实验，我不仅提高了动手能力，还提高了独立思考能力和解决问题的能力， 在实践中更好地体会了波形发生器的原理以及如何对输出波形各项指标进行调节， 这也为以 后的学以致用打下了基础。意见和建议1、结合理论课的进度安排实验课程。2、对现有的仪器时常进行维护和检

14、修。3、将实验室的规模扩大，满足更多人的实验需求，提供更多自由实验的位置。4、可举办更多类似电工电子设计大赛的比赛，提升同学们对实验的兴趣。10参考文献1 孟涛.电工电子EDA实践教程.北京：机械工业出版社,2012.2 廉玉欣 . 电子技术基础实验教程 . 北京：机械工业出版社 ,2013.3 张咏梅 ,陈凌霄 .电子测量与电子电路实验教程. 北京：北京邮电大学出版社 ,2000.4 王淑娟,蔡惟铮 ,齐明.模拟电子技术基础 .北京:高等教育出版社 .2009.实验原始数据记录R k100200300宽度a/ms4.128.3312.21C1/ nF47100220宽度a/ms4.128.7719.31R2/ k102030宽度a/ ms4.125.146.53R1 / k102030宽度a/ m