阶梯波发生器的设计与实验 实验报告

1、 北京邮电大学电子电路综合设计实验实验报告课题名称： 阶梯波发生器的设计和调测 院 系： 信息与通信工程学院 班 级： 姓 名： 班内序号： 学号： 摘要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。阶梯波发生器是由一个方波-三角波发生器与迟滞电压比较器组成的电路。通过对运算放大器UA741，二极管以及电容等器件进行组合，以及对各个部分输出输入波形的分析和关联，设计出了阶梯波发生电路。通过对该电路的适当改接，还可以完成一个三极管输出特性测试电路。实验关键词：阶梯波 脉冲 方波-三角波发生器 迟滞电压比较器第一章 绪论 1.1 阶梯波的应用背景阶梯波在电子设备中的应用十分的广泛。例如阶梯

2、波修复技术，它是通过测定电池状态，在充、放电的同时不断发出正负变频阶梯波与电池中的硫酸铅结晶体发生共振，从而使硫酸铅晶体还原成硫离子和铅离子，调解二氧化铅的比例至1:1.25，改变电介质成份和性质，每秒产生 40万组复合阶梯波提高修复效率(阶梯波频率)达3兆赫兹以上，打通离子通道，充分释放并激活原活性物质，使其具备更强的电化学能力，降低电池内阻，彻底消除电池硫化。至使硫化物质的分解还原率达95%以上，经过再生复原的铅酸蓄电池，其容量可恢复到原标准容量的95以上。 1.2 资料中常见的方案查阅资料得到阶梯波发生电路的常用设计方案如下：图2.1图2.2图2.3第二章 系统设计 2.1 实验要求 基

3、本要求：1.利用所给元器件设计一个阶梯波发生器，要求：f>>500Hz，Uopp>>3V，阶数 N=62.设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）及印制电路板图（PCB）。 提高要求：利用基本要求里设计的阶梯波发生器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积极电流为不同值时的三极管输出特性曲线束。 探究环节：探索其他阶梯波发生器的应用实例，给出应用方案。2.2 实验原理 窄脉冲发生器经二极管得到负脉冲波 控制阶梯波返回反相积分器电源电路阶梯波 电子开关电路图2.4本次实验采用的电路原理图如下：（下图用prote

4、l DXP 2004搭建）图2.5 该电路是由方波三角波发生器与迟滞电压比较器构成。图6-1 中，运算放大器U1 构成迟滞电压比较器，U3 是积分器，U4 为窄脉冲发生器。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

5、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 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，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 输出才又恢复低电位D2 截止，完成一个周期。 图2.5中，Rf1=200k; Rp1=10k; Rp3=22k; Rw3=10k、 2.3 主要芯片参数及特性本实验采用的是UA741集成运放，有关UA741的一些典型参数如下：图2.6图2.72.82.4 电路图及各模块的功能 脉冲发生器电路设计图2.9T为阶梯波周期，T为脉冲波周期，N 为

6、阶梯数； T1 高电平持续时间；T2低电平持续时间。Um 是脉冲波电压幅度，此电路中可由电源电压决定。窄脉冲的宽度可以由Rf1调节。由实验要求：N=6， f500Hz, Uopp3V带入以上公式，计算可得：T2ms, 故取 T=2ms;则T=0.29ms;取Um=11V, 则R1=100k, C1=0.01uf; 积分器电路设计图2.10对负脉冲进行几份的时间常数为，每积分一次获得的电压增量为为满足Uopp3V，且阶梯数N=6。由以上公式计算可得C=0.01u, R2=100k 迟滞电压比较器电路设计图2.11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

7、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Uth11V，Uth0V。参考电压可以用10k电位器调节，或用固定电阻分压。为方便电路调节，Rf3可以是一50k左右固定电阻加上一个22k电位器。综上所述，定性分析电路工作过程如下：（1）首先，由第一级运放U1构成的脉冲波发生器生成脉冲波，如下图 图 2.22然后经二极管D1的单向导通作用滤去电压为正的部分后，生成负脉冲如下图所示，注意其中负脉冲的0点位置（图中示波器CH1和CH2都显示了出来，CH1为U2输出的阶梯波，CH2为负脉冲。） 图2.23（2）接着负脉冲作用在U2反向积分器上，由于U2同向输入端接地，所以当负脉冲为负的时

8、候，输出为正，接着当负脉冲处于0的时候，如果负脉冲为0的时间小于积分器的时间常数，那么在积分电容C2上的左负右正的电压不能突变，又由于“虚短虚断”原理，使得U2输出端电压保持不变，这一点在图2.23中也体现了出来，当图中负脉冲为0的时间段正好对应阶梯波保持电压的时间段。紧接着当下一个负电压作用时，电路又输出一个正，使得输出波形又上一台阶，这样输出电压越来越高。（3）接下来对应阶梯波从最高点瞬时跳回最低点的现象解释如下：Rw3接+12V分压给运放U3的反向输入端，假设分压为V1,当运放U2输出的电压小于V1时，输出为负，D2不导通，U2输出按照（2）中所分析的变化，一旦运放U2的输出大于V1，运

9、放U3输出为正，二极管D2导通，此时通过R3给左负右正的电容C2充电，使C2两端电压迅速降低，从而把U2输出电压迅速拉低。 第三章 电路的测试 3.1 基本要求 图3.1右边为基本要求电路，左边为扩展电路用来测试晶体三极管的的输出特性曲线 3.1.1 脉冲波测试图3.2实验数据：Uopp=20.4V 3.1.2 阶梯波测试实图2实验数据：Vopp=6.6V, f=536.24Hz, N=6。经检验，达到基本要求。 调试方法各个电位器的作用：Rp1(10k)：通过控制外加电源，改变输出功率，同时影响输出电流，调节窄脉冲发生器所产生脉冲的占空比，调节阶梯波频率。Rf1(220k)：通过对外加电源的

10、分压，改变相同输入端参考电压，继而改变电容的充放电周期，最终改变脉冲周期。所以该电位器用来调节矩形波的占空比、阶梯波的阶梯数和频率,而在调节的同时,不会改变阶梯波的幅度。Rw3(10k)：通过对反响输入端电压的分压作用，改变参考电压，从而与积分电路输出到同相输入端的电压相比较，控制阶梯波返回，即决定阶梯波的幅值。该电位器用来调节阶梯波的直流量即幅度的大小。Rp3(22k)：其作用与Rw3类似，该电位器用来调节阶梯波的幅度大小。 由上述分析可得，在给定的情况下，可以先调节Rp3，对调节阶梯波的幅度进行改变，在幅度达到要求的情况下，再继续调节Rf1和Rw3，使得频率和阶梯数达到要求。但在实际的调试

11、过程中，四个电位器要配合使用，才可以达到最佳的效果。经过单独测量各个电位器的两部分阻值比，参数如下：Rf1=10k；Rp1=8k；Rp3=10k；Rw310k3.2 提高要求三极管输出特性曲线测试框架图：图12通过对三级管特性的研究，阶梯波的输出波形通过一个 10K电阻接入到三极管的基极，集电极接电压变换电路，发射极直接接地。而示波器的X、Y是分别接在输入两端上。需要注意的是三极管需要有直流偏置才能正常工作，所以在集电极加入了直流偏置，使三极管正常工作。图表3.3实际电路输出如下 图3.43.3 遇到的问题本次实验中，遇到的最大问题就是电路板极不稳定，上节课搭的电路板，在甲实验室还挺好的，能出各种波形，但是下节课到乙实验室却只剩一堆噪声，拿着万用表分别侧各元件，每个元件均没问题，但就是不出波形。检查面包板的连接，也没发现有断线或短接。无奈之后，只得再把电路拆了，再搭一遍，还是那些元件，但新搭的电路却有正常了。 其次，基本要求的电路板在第一次搭板时就搭出来了，但接下来把输出阶梯波接到扩展电路上时却由于事先没有设计好，把板子给烧了。第四章 总结 附录1 用到的元器件种类规格数量电阻100K256K150K110K11K3电位器220K122K110K2集成运算放大器uA7413二极管2CP102电容0.01u3图表22 测