阶梯波发生电路的设计说明

1、实验三阶梯波发生电路的设计一、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、学习复杂的集成运算放大器电路的设计。二、实验要求1、设计一个能产生周期性阶梯波的电路，要求阶梯波周期在18ms左右，输出电压围10V,阶梯个数5个。（注意：电路中均采用模拟、 真实器件，不可以选用计数器、 555定时器、D/A转换器等数字器件，也不可选用虚拟器件。）2、对电路进行分段测试和调节，直至输出合适的阶梯波。3、改变电路元器件参数， 观察输出波形的变化， 确定影响阶梯波电压围和周期的元 器件。三、实验原理1、阶梯波发生器原理要设计阶梯波发生电路， 首先要设计好方波发生电路，

2、然后通过微分电路， 这是会得到上下均有尖脉冲的波形。这是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累加电路时，一个尖脉冲累加为一个固定的值，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。当累加结果没有超过比较器的阈值时，会一直累加下去。而达到门限后，比较器输出电压翻转，输出正电压使振荡控制电路工作，使方波停振，同时积分电容对地短路放电，电容器恢复起始状态累加结束。而在电容放电之后， 积分器输出由负值向零跳变，使比较器又一次翻转， 振荡电路不能工作， 比较器输出变为负阶梯波发生原理框图2、实验原理图阶梯波原理图四、实验过程1、电路设计(1)方波

3、发生电路设计方波波形(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R3和电容C2即可组成下图所示的微分电路，示波器所得的输出波形见下下图的尖脉冲波形。方波发生电路+微分电路方波微分后波形JQnF(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。可利用二极管的单向导电性来进行限幅，电路如图所示。示波器显示的单边尖脉冲如图所示。方波发生电路+微分电路+限幅电路4万苫联7E137S0AF2lO.OkOUn 遥R1:gw 口上出-U- igqUUkOkn 32j1H7*OA47ni'2二示波器X5缶X If单侧脉冲波形(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

4、加，在上图所示电路的基础上连接积分累加电路如下图所示，打开仿真开关，可以得到积分累加的输出波形如下下图所示。jsv方波发生电路+微分电路+限幅电路+积分累加电路阶梯波形(5)周期阶梯波电路设计在上图的基础上家上电压比较器和开关控制器以及快速放电电路，就组成了完整的阶梯波发生电路，如第二幅图所示，输出波形如下图。从中可以读周期性阶梯的周期为18.00ms左右,电压变化围为10V,阶梯个数为5个。阶梯波波形2、改变元件参数确定其作用 (1)只影响周期的量首先当成倍改变 Rf或C1的值时，周期T的值也成相同的倍数改变。若改变 R2或R1的值, 周期T也会改变，但均不是线性关系。实际上，振荡周期T 2

5、RfC1ln(1 2R2/R1)。下面保持其他部分不变，令 Rf=150 k ,即扩大两倍时，波形如下图所示，周期 T=7.440ms, 约莫扩大两倍，而电压变化围和阶梯高度不变化。保持其余不变，令 R2=20k ,即扩大两 倍，则周期T=6.160ms,波形如图所示，并非一般线性关系，电压变化围和阶梯高度也保持 不变。Rf=150k ，其余不变R2=20k ,其余不变(2)只影响阶梯高度的量1微分电路对波形高度影响同样C2的值也会影响阶梯高度，具体关系见下表。由表可知，当其余值保持不变，仅改变C2的值，则阶梯高度与之成正比。C2/nF103051100阶梯高度/V704.72110 32.1

6、443.6497.138改变C2,其余值不变R3的值对阶梯高度也有影响，见下表。可以看出，阶梯高度与R3并没有明显的正比关系,与理论上不符。R3/k1234.025.110阶梯 高度 /V436.93910 3808.90310 31.09 81.3391.5442.143改变R3的值，其余不变2积分电路对波形高度影响改变C3的值会改变阶梯的高度，具体关系见下表3.01 (电容换成虚拟元件进行测试 )。由表可知，当其余值保持不变，仅改变 C3的值，则阶梯的高度与之成反比。C3/nF1030100200阶梯高度/V7.262.420725.234 10 3363.42710 3阶梯个数约24.5

7、14.528改变C3,其余不变改变R6的值也会改变阶梯的高度，理论上，根据积分电路的原理，改变电路中的R6c3可以改变阶梯波的每个阶梯的高度。R6C3与阶梯波的每个阶梯的高度成反比。但实验测得的具体关系如下表(电阻换成虚拟元件进行测试 )。R6/ k1210阶梯高度/V5.3874.6092.138阶梯个数2.535改变R6,其余不变总结可见，影响阶梯高度的主要是R3、C2、R6和C3。根据微分器积分器原理，理论上，阶梯高度与C2?R3成正比关系。实际上，根据实验所测，对于电容关系正确，但对于电阻关系C3?R6并不能准确刻画。其实这样的正比关系是忽略了中间的单向限幅电路的影响，对于本实验的阶梯

8、波电路影响输出波形的主要是电容元件。(3)同时影响周期和幅度的量改变R8的值，阶梯波电压围和周期都会改变，而阶梯高度基本不变。若增大R8的值，则阶梯波电压围和周期均变小。R8= 20 k ,其余不变R10改变R10的值，阶梯高度基本不变，但阶梯波电压变化围变化，周期也会变化，增大 时，阶梯波电压变化围变大，周期变大。R10=20k ,其余不变改变R7时，电压围和周期也会变化，阶梯高度不变。减小R9时，电压围和周期均变小。这里不再图示。注：当减小R8或增加R10到一定值时，后来会成一条直线。而增加 R7到某一值时，也不会正常显示阶梯波。(4)同时改变周期和高度的量改变R4的值，波形也会发生变化。

9、当增大 R4时，阶梯高度变小，周期变大，但电压变化 围基本不变。当 R3=10k ,即扩大5倍时，波形如下图所示。R3=10k ,其余不变在一定围（当接近15V时没有影响，运放饱和有关）改变 D1和D2的击穿电压时，电压围 即幅度基本不变，而周期和阶梯高度会随之变化，对应关系见表3.03。周期大致与稳压值成反比，而阶梯高度与之大致成正比。稳压值VF/V3.64.71012周期/ms21.417.810.29.4阶梯高度1.661V2.1414.451V5.25V稳压值改变，其余不变五、实验感想阶梯波电路设计中关于毛刺的处理，一般是如何消去，我引入了一个电容来延时使毛刺变成有效电平，但同时又产生了电路有 -10V到0V的瞬变的延时充电的副作用，所以又在原电路 的基础上加入一个放电回路选择控制开关，以弥补抵消延时副