1、電子電路綜合實驗設計實驗名稱：階梯波發生器的設計與實現學院：班級：學號：姓名：班內序號：實驗6 階梯波發生器的設計與實現一. 摘要階梯波是一種特殊波形，在一些電子設備及儀表中用處極大。本實驗電路是由窄脈沖-鋸齒波發生器構成。通過將運算放大器的幾個典型電路:方波發生器、積分器和遲滯電壓比較器，加以改進組合，設計成了階梯波發生器。實驗用兩個二極管作為控制門，一個是階梯波形成控制門，另一個是階梯波返回控制門，控制階梯波的周期。調節相應電位器的阻值就能改變階梯數、階梯幅值和階梯周期。關鍵字:階梯波方波發生器遲滯電壓比較器積分器二. 實驗任務及設計要求1、 基本要求：1） 利用所給元器件設計一個階梯波發

2、生器，階數；2） 設計該電路的電源電路（不要求實際搭建），用PROTEL軟件繪制完整的電路原理圖（SCH）及印制電路板圖（PCB）。2、 提高要求：利用基本要求里設計的階梯波發生器設計一個三極管輸出特性測試電路，在示波器上可以觀測到基極電流為不同值時的三極管的輸出特性曲線束。3、 探究環節：能否提供其他階梯波發生器的設計方案？如果能提供，請通過仿真或實驗對結果加以證明；三. 設計思路及結構框圖1. 設計思路仔細閱讀試驗原理及要求按要求確定設計指標窄帶脈沖發生器積分器遲滯比較器分塊設計階梯波發生器計算電阻電容等器件參數計算機仿真在電路板上搭建電路實驗室實際調試認真檢查連接保證正確若波形不符合則重

3、新計算參數2總體結構框圖本實驗中階梯波發生器電路是由方波-三角波發生器與遲滯電壓比較器構成。圖1中，運算放大器U1構成遲滯電壓比較器，U3是積分器，U2為窄脈沖發生器。兩個二極管，其中D1是階梯形成控制門，D2是階梯返回控制門。由于U2的同相輸入端加入一個正參考電壓，U2輸出為負脈沖。在負脈沖持續期間，二極管D1導通，積分器U3對負脈沖積分，其輸出電壓上升。負脈沖消失后，D1截止，積分器輸入、輸出電位保持不變，則形成一個臺階，積分器U3的輸出的階梯波就是遲滯比較器U1的輸入，該值每增加一個臺階，U1的輸入電壓增加一個值。在臺階級數較少的時候，U1的同相輸入端的電位比反相輸入端的參考電壓低，使U

4、1輸出低電平，二極管D2截止。隨著臺階級數的增加，當U1的同相輸入端電壓高于參考電壓時，U1的輸出跳變至高電平，D2導通，積分器進入正電壓積分，使U3輸出電位下降，直到U3輸出電壓降至遲滯比較器的下門限電壓時，U1輸出才恢復低電位，D2截止，完成一個周期。開始U2同相輸入端輸入正參考電壓二極管D1導通U3對負脈沖積分U3輸出電壓上升U2輸出負脈沖二極管D1截止U3輸入電位不變U3輸出電壓不變形成一個臺階U3正電壓積分，輸出電位下降U1的同相輸入端電位高于參考電壓D2截止D2導通N3元器件資料本實驗中用到了三個UA741芯片，通過查找資料了解UA741的主要參數，管腳設置等。.4分塊電路和總體電

5、路的設計（1）電源電路的設計本實驗需要的是+12V的直流穩壓電源。具體電源電路包括整流，濾波，穩壓等部分，具體的設計如下。（2）窄脈沖發生器的設計為階梯波周期，為脈沖波周期，為階梯數；高電平持續時間；低電平持續時間。由實驗要求：=6，帶入以上公式，計算可得2ms，故取=2ms；則=0.29ms；取=11V，則，。是窄脈沖電壓幅度，此電路中可由電源電壓決定。取6V左右即可，為簡化設計和的計算公式中，對數部分我們可以設為1，取，根據已知的頻率可計算電容的值。窄脈沖的寬度可用電位器來調節。仿真波形如下圖所示（3）積分器的設計當放大電路滿足深度負反饋條件時，由虛開路和虛短路特性知，電容兩端的電壓為輸出

6、電壓，則輸出電壓的表達式為：顯然，輸出電壓與輸入電壓是積分關系。當已知輸出電壓在時刻的值時，輸出電壓表達式可以為：為滿足，且階梯數，由以上公式計算可得, 。仿真波形如下圖所示。（4）遲滯比較器的設計比較器的反相輸入端通過電阻加有參考電壓，與基本的單項比較器相比，遲滯比較器通過引入了電壓反饋。根據實驗要求，階梯波一個周期中有6個階梯，則將上下門限電壓設為。輸出電壓變化在6V以上，則參考電壓用電位調節器，取,為一個電位調節器。并且，為了控制階梯波返回時，返回時間小于一個臺階的產生時間，則還應取小于，故取為。仿真波形如下圖所示：四、功能實現及擴展1基本要求：該電路是一個周期、幅度可調的階梯波發生器，

7、周期、幅度的調節主要通過電路正的電位器來實現;現將電路中各個電位器的作用說明如下:該電位器用來調節階梯波的幅度大小;:該電位器用來調節階梯波的階梯數。而在調節的同時，不會改變階梯波的幅度:該電位器用來調節階梯波的周期，而在調節的同時，不會改變階梯波的幅度鑒于各個電位器的功能，在給定的情況下，可以先通過調節調節階梯波的幅度，在幅度達到要求的的情況下，再通過調節、使周期和階梯數達到要求即可。以下是仿真波形圖，可以看到產生了實驗要求的階梯波:Pspice階梯波仿真圖實際實驗中的波形截圖及相關分析:右圖為階梯波發生器的波形圖，從圖中可以看到峰峰值已超過了6V，頻率達到了667Hz，階數N為6階完成基本

8、要求右圖為階梯波發生器的波形圖，從圖中可以看到峰峰值已超過了6V，頻率達到了667Hz，階數N為6階完成基本要求右圖為調整電位器時輸出的波形,明顯觀察到幅度增大,頻率略有增加,實現幅度可調的功能右圖為調整電位器時輸出的波形,明顯觀察到階梯數N減小到2,頻率增加到800Hz,實現階梯數N可調的功能右圖為調整電位器時輸出的波形,明顯觀察到周期減小,階梯數N也隨周期的減小而減小到3,頻率增加到800Hz,實現周期可調的功能2提高要求利用階梯波測試PNP型三極管3共發射極組態下的輸出特性曲線。將三極管的基極與階梯波發生器的輸出端相連接，并將三極管的發射極經電阻接地，集電極接入方波信號。雙蹤示波器選擇X

9、-Y方式，X輸入的探頭接三極管的集電極，Y輸入的探頭接三極管的發射極（由于射極電流約等于集電極電流，而射極電阻固定，可通過測其電壓來說明兩者關系），接通電源后，調整示波器，觀察輸出。3探索要求探索其他階梯波發生器的設計方案，并通過仿真對結果加以證明；通過圖書館，網絡等途徑，發現一個負階梯波發生器的設計電路，其設計思路是：為了設計一個負階梯波發生器，首先產生一個方波，其次經過微分電路輸出得到上下都有的尖脈沖，然后經過限幅電路只留下所需的正脈沖，再通過積分電路，實現累加而輸出一個負階梯。對應一個尖脈沖就是一個階梯，在沒有尖脈沖時，積分器保持輸出不變，在下一個尖脈沖到來時，積分器在原來的基礎上進行積

10、分，因此，積分器就起到了積分和累加的作用。當積分累加到比較器的比較電壓時，比較器翻轉，比較器輸出正電壓，使振蕩控制電路起作用，方波停振。同時，這個正電壓使電子開關導通，積分電容放電，積分器輸出對地短路，恢復到起始狀態，完成一次階梯波輸出。積分器輸出由負值向零跳變的過程，又使比較器發生翻轉，比較器輸出變為負值，這樣振蕩控制電路不起作用，方波輸出，同時使電子開關斷開，積分器進行積分累加，如此循環往復，就形成了一系列階梯波，其原理圖如下所示：電路圖為輸出波形為五. 故障及問題分析1.遇到的問題1.問題一:從階梯波發生器輸出波形可以看出，在階梯波的上升處并不是嚴格的上升，而是斜著上升，考慮到這種情況可

11、能是有運算放大器本身的特性造成，但不清楚具體是那個運算放大器產生了失真;理論上可以通過調節電位器來消除，但在實際實驗中所用的電位器是的，調節范圍比較大導致調節精確度比較低，而且在調節的比較小時，導致電路不穩定，故提出以下三種驗證方案:2.實驗改進(1)只將運算放大器U1由LM741換成LM318，而電路的其它部分保持不變，觀測波形;(2)只將運算放大器U3由LM741換成LM318，而電路的其它部分保持不變，觀測波形;(3)只將運算放大器U1由LM741換成LM318，而電路的其它部分保持不變，觀測波形;考慮到運算放大器LM318容易引起自激，所以在換成LM318之后，應該在運算放大器的4，7

12、端各對地并接一只電容來消除自激通過反復的實驗與調測，(3)方案得到了很好的改善。究其原因，當運算放大器1用LM741時，產生的鋸齒波上升沿和下降沿已有明顯的失真，直接導致反相積分器的輸出產生失真，當運算放大器1用LM318和LM741時，輸出的鋸齒波有明顯差異2.問題二:搭好電路板后，將輸出波形介入示波器，沒有階梯波顯示，經檢查，發現搭電路的時候，因為電路比較復雜，我沒有仔細檢查，導致有些元件因為插錯了面包板的洞而沒有連接上，或者產生連接錯誤解決方法:對照電路圖仔細檢查了一遍，改正了鏈接錯誤，并合理布線，階梯波就出現了3.問題三:在進行三極管輸出特性測試電路的拓展實驗時，在示波器觀測到基極電流

13、為不同值時三極管的輸出特性曲線束的波形很不穩定。分析及解決:原因是掃描頻率和階梯波的頻率沒有完全一致，通過調節電位器改變頻率，并且在示波器上將二者頻率盡量對比協調一致，使輸出特性曲線束的波形較為穩定六. 總結和結論1.實驗總結:本次試驗是綜合設計性實驗，要求我們將以前學過的知識都綜合運用起來，融會貫通，設計出具有一定綜合功能的電路。我們用過思考、設計和實踐，對脈沖波發生器、遲滯電壓比較器、積分器的工作原理的理解有了進一步的了解和掌握，對Protel DXP軟件的使用有了初步的認識，同時也增加了對模擬電子電路實驗的興趣，真正做到了學以致用。2.實驗結論:此次試驗比較復雜，要求我們有耐心，并且善于

14、尋找和改正錯誤，使我分析和解決問題的能力得到了很大的提高;此外，本次試驗還增強了我們的動手能力，盡自己所能將電路板搭建得簡單漂亮。3.心得體會:為期一年的模電實驗課已經到了尾聲，回首過去的一年，我付出了不少，也收獲了不少。在上大學之前的實驗課，總是我最期盼的，因為不用寫預習報告，實驗課上老師也不會要求同學必須得測出準確的數據，只是自己隨便做，做不出來時老師會給演示一遍，然后再自己做，即使沒有做出來也沒關系，可以看看別人的實驗結果，承認一個結論就可以了。而大學中的實驗完全不是這么回事，上課之前必須做好預習工作，復習與實驗有關的理論知識，設計好實驗電路、電路參數、實驗步驟、提前搭好電路、認真寫好實

15、驗報告，然后就是在實驗的過程中，完全靠自己來做，我們實驗的目的已經不再是以前的看看結論就行，而是必須測出準確的數據，做好記錄，畫出觀察到的波形，在實驗之后對實驗中的數據做好仔細的分析，得出正確的結論，而且要對實驗中遇到的問題做出正確的分析，寫出實驗心得體會。確實，大學中的實驗和以前的實驗相比是截然不同的，大學的實驗把主動權交到了學生手里。回頭想想，通過這么長時間的實驗，我學會了模電是實驗中的一些基本元件，例如面包板、示波器、萬用表、晶體管毫伏表、函數信號發生器的使用方法，學會了模電實驗中一些實驗方法，還有常用元器件如電阻、電容、電感的標稱值讀數。作為工科學生，掌握這些東西是必須的，但是我覺得，

16、通過對模電實驗課的學習，我得益最大的是學會了一種學習方法，一種對待知識的態度，一種面對問題時鉆研的精神。首先，一年的預習報告讓我學會了課前預習的良好學習習慣，以前上課從來不預習，認為課堂上老師講的時候認真聽就行了，但這樣難免有時跟不上老師的思路，尤其是在大學里，老師講一節課講的東西特別多，當然也就講的特別快，有時候有的地方沒聽明白，也不能停下來想，因為這樣又會耽誤后面的聽課。在通過一段時間的預習之后，我發現，我的聽課效率得到了很大的提高，因為在課前預習時，簡單的東西我都看懂，而且都記住了，這樣在聽課時就可以將重點放在難點重點上了，課后也就少了自己再捧著書理解的過程，自然節省了時間，學習效率大大

17、提高。在實驗的過程中，必須特別嚴謹，尤其是在模電實驗中，可能讀數的一點點誤差都會很難得出正確的實驗結論，所以在模電實驗中，我們必須認真對待實驗的每一個步驟，來不得半點馬虎，而這種精神不僅是在實驗中，在我們以后的工作中都是很重要的。再次，實驗也培養了我們敢于探索的精神以及對知識的渴求，實驗中當實驗結果有問題時，應該敢于分析問題出現的可能原因，并對它們作出改進，比如在這次實驗中，當運算放大器用LM318時，波形出現了失真，當試著把LM318換成LM741時，波形就得到了大大的改進，并且通過設計三個方案，找出了產生問題的具體原因。這種精神對我來說確實是一個很大的收獲。七. PROTEL繪制的原理圖電路原理原理圖PCB板電路圖In 3D View只顯示布線圖底面布線圖三維立體視圖細節展示八. 所用元器件及測試儀表清單元器件清單名稱型號數量用途運算放大器UA741CN3形成窄脈沖發生器，積分器，遲滯電壓比較器，提供相應的所需波形電位器220K1用于調節窄脈沖發生器的周期和階梯波的階數