阶梯波发生器的设计与实现.doc

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1、阶梯波发生器的设计与实现实验目的通过实验进一步掌握集成运放和电压比较器的应用。进一步工程设计和实践动手能力，建立系统概念。实验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

2、成一个三极管输出特性测试电路。实验关键词阶梯波 脉冲 集成运放 阶数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

3、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。设计任务要求基本要求、利用所给元器件设计一个阶梯波发生器，f500Hz，Uopp3V，阶数 N=6、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

4、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。设计思路该电路是有方波-三角波发生器与迟滞电压比较器够成。运算放大器U1够成迟滞电压比较器， U3是积分器， 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

5、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。电路图如下：参数：Rf1=200k;Rp1=10k;Rp3=22k;Rw3=10k基本框架图扩展要求：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

6、系数的最大值为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=500Hz,误差为+10Hz，占空比为10%左右，电压幅度为TTL电平2、 晶体管基极阶梯电流iB的起始值为0（不高于0.5A）,级数为8级，每一个阶梯的电流增量为5A，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。扩展要求框架图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Rc的电压代替Rc的电流。电路图及输出特性曲线实际操作中，我们只是把阶梯波通过一个1

7、0K电阻接入到三极管b极，而c极是直接接入信号发生器的三角波，e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，所以在三角波上我们还加入了直流偏置，使三极管正常工作。各分电路图参见博客其他篇目，下面是总方波电路积分电路阶梯波电路CB 三极管E示波器X Y分块电路和总体电路的设计（含电路图）主要芯片参数及特性本实验采用的是UA741集成运放，有关UA741一些典型参数如下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，

8、范围515V。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： 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电流IR=1mA。得到电阻方程组：解方程组得：R1=500、R2=1.5K、W=3K。为了保证最大输出为15V，整流输出UoI15+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UEF16.4/0.9=18.2V窄脉冲发生器原理图设计说明：运算放大器采

9、用高性能差动放大电路作为输入级，为了输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号能力强。中间级多采用电流源负载的共射放大电路，是整个运放的主要放大部分。输出放大级多采用互补对称输出电路，使运放应具有输出电压线性范围宽、输出电阻小（即带负载能力强）、非线性失真小等特点。相关公式为阶梯波周期，为脉冲波周期，N为阶梯数；为高电平持续时间；为低电平持续时间。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;积分器电路原理图设计说明：当放大电路满足深度负反馈条件时，由虚开路和虚

10、短路特性，,电容两端的电压为输出电压，则输出电压的表达式为：显然，输出电压与输入电压是积分关系。当已知输出电压在t1时刻的值时，输出电压表达式可以为：为满足Uopp3V，且阶梯数N=6由以上公式计算可得C=0.01u, R2=100k迟滞电压比较器原理图设计说明：比较器的反相输入端通过电阻Rw3加有参考电压，与基本的单项比较器想必，迟滞比较器通过Rf3引入了电压反馈。根据实验要求，阶梯波一个周期中有6个阶梯，则将上下门限电压设为Uth+=12V,Uth-=0V。输出电压变化在6V以上，则参考电压用10k电位调节器Rw3，Rf3取50k,Rp3为一个22k的电位调节器。并且，为了控制阶梯波返回时

11、，返回时间小于一个台阶的产生时间，则还应取R3小于R2，故取R3为10k.扩展电路原理图所实现功能说明基本功能该电路可产生方波，阶梯波，且波形的幅频特性可调，并满足实验要求，截图如下：产生的窄脉冲阶梯波从图中可以看出，f=505.776hz500hz, Uopp3V，阶梯数N=6调节波形的输出特性主要利用电位器进行调节，各电位器的调节作用及原理如下：Rf1:主要用于调节窄脉冲发生器所产生的脉冲周期。通过对外加电源的分压，改变同相输入端参考电压，从而改变电容充放电的周期，脉冲周期也随之改变。Rp1:主要用于调节窄脉冲发生器所产生脉冲的占空比。控制外加电源，改变输出功率，同时影响输出电流。Rw3:

12、用于调节阶梯波的峰峰值。原理是利用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。Rp3:作用与Rw3相似，但还可以在次基础上，通过对反馈电流的影响，调节阶梯数。以上各电位器在调节时，一般情况下是共同调节，综合起作用。最后利用万用表对各个电位器的阻值进行了测量（断开电路后），结果如下(由于实验条件有限，以下均为粗值)：Rf1=10k Rp1=7k Rw3=8k Rp3=10k 与计算值基本相符。功能说明基本功能：产生了N=6，的阶梯波，图形见坐标纸。扩展功能：利用锯齿波和阶梯波作为示波器的XY输入，显示了三极管的不同基极

13、电流值情况下的输出曲线。测试方法及数据本电路有4个电位器，其功能分别为：Rp1调节方波占空比及频率Rf1调节频率Rp3调节阶梯波幅值及阶梯级数Rw3调节阶梯级数及基线这四个电位器基本上都能从某一方面对阶梯波的频率及阶梯级数进行调节，所以在调试测试时需要不断变换这些电位器的阻值搭配，才能出现理想的波形。由计算公式T=(N+1)T其中 ，。按实验要求，N=6，则。综上解得：脉冲波周期 高电平持续时间 低电平持续时间 对比实验结果，图形符合要求故障及问题分析问题：滑动变阻器冒烟分析：电路有短路，但是用万用表测发烟电阻器的两端电压，刚开始是0，但是在后面我调整后虽然不是0，但是还是继续冒烟。经过老师提

14、醒，我用万用表开始检测电路板。结果发现电路板有好几处是直接短路的，所以我换了块电路板。而由于在前面的检查与重连中，我已熟悉的了解电路。轻松的接完电路，稍微调解了下示波器，就出来。问题：检测三极管曲线时无相关波形分析：示波器上没有按下“X-Y”问题：三极管b极输出的是三角波分析：需要把探头接在电阻的那端，即阶梯波接入端问题：电路本来能显示阶梯波波形，但是某次不能正常显示分析：没有给对正确的的电压，或者有电流输入总结与结论电路板需要注意有些是上下通，而有些是左右通。在发现元件在工作时候如若有冒烟等不正常现象，则应先检查电路是否短路，并且及时断开电路。在断开电路时候，需要先把接头先取下，然后关闭电源

15、。通过本实验，我能大概了解阶梯波的产生原理，进一步学会了窄脉冲发生器、积分器和迟滞比较器的作用。在接电路的时候，我知道了如何合理地安排各个元器件的排放，如何才能看起来更简单明了。在不断的实践中，我也增强了自身的动手能力，得到了丰富的实际操作经验。同时我还学到了Protel的基本应用，学会通过Protel实现仿真。PROTEL绘制的原理图印制电路板图（PCB反白后效果图）所有元器件及测试仪表清单元器件单种类规格数量电阻100K256K150K110K11K3电位器220K122K110K2集成运算放大器LM7413二极管2CP102电容0.01u3测试仪单名称数量用途示波器1观察电路输出波形万用表1测量电路各点电压，校准电源电压直流稳压电源1提供电路所需稳压直流电十一、参考文献.林家儒电子电路基础M北京：北京邮电大学出版社，2006.吴文礼.电路分析基础M北京：北京邮电大学出版社，2004.郝文化Protel DXP电路原理图与PCB设计M北京：机械工业出版社，2004