階梯波發(fā)生器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1、北京郵電大學(xué)電子電路綜合實(shí)驗(yàn)階梯波發(fā)生器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)學(xué) 院： 班 級：姓 名：學(xué) 號： 任課教師 ： 實(shí)驗(yàn)日期 ：2011 年3 月階梯波發(fā)生器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)一、 中英文摘要及關(guān)鍵詞：中文摘要：階梯波發(fā)生器是一個方波-三角波發(fā)生器與遲滯電壓比較器夠成。階梯波是一種特殊波形，在一些電子設(shè)備及儀表中用處極大。 本實(shí)驗(yàn)電路由方波三角波發(fā)生器與遲滯電壓比較器構(gòu)成。通過運(yùn)算放大器，積分器，窄脈沖發(fā)生器以及二極管形成的控制門等主要元器件，進(jìn)行合理的改進(jìn)組合，從而設(shè)計出了階梯波發(fā)生電路。實(shí)驗(yàn)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(diào)節(jié)相應(yīng)電位器的阻值就能改變階梯

2、數(shù)、階梯幅值和階梯周期。而且通過對該電路的適當(dāng)改價，可以完成一個三極管輸出特性測試電路。關(guān)鍵詞：階梯波、運(yùn)算放大器、遲滯電壓比較器二 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步掌握集成運(yùn)放和電壓比較器的應(yīng)用2 進(jìn)一步增強(qiáng)工程設(shè)計和實(shí)踐動手能力，建立系統(tǒng)概念三、實(shí)驗(yàn)原理該電路是有方波-三角波發(fā)生器與遲滯電壓比較器夠成。第三個運(yùn)算放大器U1夠成遲滯電壓比較器，第二個U3是積分器，第一個U4是窄脈沖發(fā)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U4的同相輸入端加入一個正參考電壓，U4輸出為負(fù)脈沖。在負(fù)脈沖持續(xù)期間，二極管D1導(dǎo)通，積分器U3對負(fù)脈沖積分，其輸出電壓上升。負(fù)脈沖消失后，D1

3、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的輸入電壓就增加一個值。在臺階級數(shù)較少時，U1的同相輸入端的電位比反相輸入端的參考電壓低，使U1輸出低電平，二極管D2截止。隨著臺階級數(shù)的增加，當(dāng)U1同相輸入端電壓高于參考電壓的時候，U1的輸出跳變至高電平，D2導(dǎo)通，積分器進(jìn)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(fù)低電位D2截止，完成一個周期。四、設(shè)計任務(wù)要求：基本要求：)利用所給元器件設(shè)計一個階梯波發(fā)生器，f>=500Hz,Uopp>=3V,階梯N=6

4、.)設(shè)計該電路的電源電路（不要求實(shí)際搭建），用PROTEL繪制完整的電路原理圖(SCH);提高要求：)用PROTEL繪制完整的印制電路板圖(PCB);)在接替勃發(fā)生器的基礎(chǔ)上，設(shè)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三極管的輸出特性曲線束；探究環(huán)節(jié)： )提供其他階梯波的設(shè)計方案，（通過仿真或?qū)嶒?yàn)結(jié)果加以證明）； )探究其他階梯波發(fā)生器的應(yīng)用實(shí)例，給出應(yīng)用實(shí)例。五、設(shè)計電路1、查芯片資料UA741資料.docx2、總體結(jié)構(gòu)圖與設(shè)計思路（1）結(jié)構(gòu)圖仔細(xì)閱讀試驗(yàn)原理及要求按要求確定設(shè)計指標(biāo)窄帶脈沖發(fā)生器積分器遲滯比較器分塊設(shè)計階梯波發(fā)生器計算電阻電容等器件參數(shù)計算機(jī)仿真

5、在電路板上搭建電路實(shí)驗(yàn)室實(shí)際調(diào)試認(rèn)真檢查連接保證正確若波形不符合則重新計算參數(shù)（2）設(shè)計思路運(yùn)算放大器U1構(gòu)成遲滯電壓比較器，U2是積分器，U3為窄脈沖發(fā)生器。兩個二極管，其中D16是階梯形成控制門，D15是階梯返回控制門。由于U3的同相輸入端加入一個正參考電壓，U3輸出為負(fù)脈沖。在負(fù)脈沖持續(xù)期間，二極管D16導(dǎo)通，積分器U2對負(fù)脈沖積分，其輸出電壓上升。負(fù)脈沖消失后，D16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U2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(shù)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

6、1輸出低電平，二極管D15截止。隨著臺階級數(shù)的增加，當(dāng)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，D15導(dǎo)通，積分器進(jìn)入正電壓積分，使U2輸出電位下降，直到U2輸出電壓降至遲滯比較器的下門限電壓時，U2輸出才又恢復(fù)低電位D15截止，完成一個周期。3、分塊結(jié)構(gòu)設(shè)計T（N1）T, T為階梯波周期 T1 高電平持續(xù)時間 T2低電平持續(xù)時間 T為脈沖波周期1、 窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計N為階梯數(shù)。Um是脈沖波電壓幅度，此電路中可由電源電壓決定。Ur1取6V左右即可，為簡化設(shè)計T1和T2的計算公式中，對數(shù)部分我們可以設(shè)為1，取R1100K，根據(jù)已知的頻率f可計算電容C的值。窄脈沖的寬度T2可用

7、220K電位器來調(diào)節(jié)。2、 積分器的設(shè)計對負(fù)脈沖進(jìn)行積分的時間常數(shù)為R2*C2，每積分一次C2獲得的電壓增量為欲使011V之間有6個階梯，應(yīng)該1.8V。取R2100K，11.6V。3 、遲滯電壓比較器的設(shè)計值得注意的是，該電壓比較器的參考電壓加在反相輸入端，在同相輸入端加輸入信號。根據(jù)要求，在一個周期中有6個階梯，輸出電壓可以從0V到11V，則上下門限電壓可以設(shè)為Uth11V，Uth0V。參考電壓可以用10k電位器調(diào)節(jié)，或用固定電阻分壓。為方便電路調(diào)節(jié)，Rf3可以是一50k左右固定電阻加上一個22k電位器。為了使階梯返回時間小于一個臺階，R3應(yīng)小于R2，可以取R3為10k。4、電源電路原理圖設(shè)

8、計說明：電源電路包括整流、濾波、穩(wěn)壓等部分組成，各個部分的設(shè)計可以根據(jù)穩(wěn)壓的不同得到不同的結(jié)果，這里我們需要穩(wěn)壓到12V。該電路的設(shè)計思路是設(shè)計一個電壓可調(diào)的電路，范圍515V。由圖可知，當(dāng)電位器移至上端時輸出電壓最小，Uon=5V；當(dāng)電位器移至最下端時輸出電壓最大，Uom=15V，故得到以下的式子： 先確定穩(wěn)壓值Uz;一般選擇Uz=UonX90%=5X0.9=4.5V。選擇采樣電阻中的最小電流IR=1mA。得到電阻方程組：解方程組得：R1=500、R2=1.5K、W=3K。為了保證最大輸出為15V，整流輸出UoI15+3=18V，取濾波電路輸出電壓UoI=1.1UEF，則變壓器次級輸出電壓有

9、效值UEF=UOI/1.1=18/1.1=16.4V，考慮到市電220V有10%的波動，則UEF16.4/0.9=18.2V4、PROTEL DXP仿真及電路原理圖（1）PROTEL繪制的原理圖（2）印制電路板圖（PCB反白后效果圖）（3）窄帶脈沖仿真及實(shí)際圖（4）U3積分器產(chǎn)生的階梯波仿真及實(shí)際圖六、提高要求-三極管輸出特性測試電路1、擴(kuò)展要求：設(shè)計一個測量NPN型晶體管輸出特性曲線的電路。測量電路設(shè)置標(biāo)有e,b,c引腳的插孔，當(dāng)被測晶體管插入插孔并通電后，示波器屏幕上便顯示出被測晶體管的輸出特性曲線。設(shè)被測晶體管的電流放大系數(shù)的最大值為300.主要設(shè)計要求如下：1、 用以形成鋸齒波和階梯波

10、的矩形波電壓的頻率f=615Hz,誤差為+10Hz，占空比為10%左右，電壓幅度為-10V+10V2、 晶體管基極階梯電流iB的起始值為0（不高于0.5A）,級數(shù)為6級，每一個階梯的電流增量為5A，誤差+10%3、 晶體管集電極的掃描電壓的起始值為0V（不高于0.1V），其幅度不低于10V。2、框架圖及原理（1）框架圖三角波RC示波器x階梯波窄脈沖矩形波RBYRE（2）原理晶體管輸出特性曲線是描述晶體管各極電流與極間關(guān)系的曲線，以基極電流作為參變量，研究集電極電流隨集射極電壓的變化關(guān)系，要在示波器上顯示波形，實(shí)驗(yàn)中是用Re的電壓代替集電極的電流。每一級階梯波對應(yīng)一個基極電流，并且在一個臺階上基

11、極電壓保持不變，而集電極的三角波掃描電壓變化范圍0V10V，這樣三極管從飽和區(qū)到放大區(qū)的輸出曲線便被描繪出來，階梯波有6個階梯，于是在示波器上便會有六條輸出曲線，每條曲線對應(yīng)不同的基極電流。另外，集電極掃描電壓為階梯波發(fā)生器內(nèi)部的窄脈沖矩形波經(jīng)RC積分電路積分后的三角波，這樣做保證了掃描電壓和輸入電壓頻率完全相同，在示波器輸出時不會導(dǎo)致輸出曲線不穩(wěn)定的情況。3、輸出特性曲線及實(shí)際圖4、調(diào)試過程中的經(jīng)驗(yàn)1、實(shí)際操作中，我們組經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)最終選擇：Rb=100K Rc=2K Re=2K，RC積分電路我們也經(jīng)過了反復(fù)嘗試，最終選擇：R=2K，C=0.01uF，合理選擇參數(shù)的目的是讓三角波盡量趨于鋸齒

12、波，這樣輸出曲線的回線現(xiàn)象不明顯，曲線更加完美。2、最初將電路按照設(shè)計原理連線后，示波器上顯示的X-Y波形于標(biāo)準(zhǔn)輸出曲線有很大差距，經(jīng)過分析后，是因?yàn)殡A梯波電平過小掃描電壓不匹配，導(dǎo)致集電極電壓從0變化到10V時三極管未能從深度飽和開始變化，從而使輸出曲線從淺飽和開始描繪，示波器只顯示了輸出曲線的一部分，旋轉(zhuǎn)Rp1，提高基極電平后，能夠的到完整的輸出曲線。七、其他階梯波設(shè)計方案LM324 4148 Vcc=12V這是一種用電流型運(yùn)放組成的階梯波發(fā)生器實(shí)用電路。運(yùn)放A1及外圍元件構(gòu)成矩形波發(fā)生電路，輸出脈沖串。運(yùn)放A2及其外圍元件是積分-保持電路，其積分電容對輸入的脈沖積分，并保持信輸入脈沖的階

13、躍，在輸出端得到的是各次階躍的積累，即是階梯波。運(yùn)放A3是電壓比較器。當(dāng)階梯波電壓上升到電源電壓的80%左右時，A3發(fā)生翻轉(zhuǎn)。運(yùn)放A4及其外圍元件是單穩(wěn)態(tài)電路，A3的翻轉(zhuǎn)使其輸出一個脈沖（約100uFs），用來作為復(fù)位脈沖，使A2復(fù)位，從而完成一個階梯循環(huán)。八、 實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)功能說明：通過該電路完成的階梯波發(fā)生器 實(shí)現(xiàn)了一個可產(chǎn)生頻率可調(diào)，幅度可調(diào)，階梯數(shù)可調(diào)的周期階梯波的發(fā)生器，主要通過電位器來調(diào)節(jié)階梯波的頻率，幅度以及階梯數(shù)。各個電位器的功能如下所示：Rp1 (10k)： 用來調(diào)節(jié)階梯波的頻率Rp3（22k）： 用來調(diào)節(jié)階梯波的幅度大小Rf1（220k）： 用來調(diào)節(jié)階梯波的階梯數(shù),而在調(diào)節(jié)的同

14、時,不會改變階梯波的幅度Rw3 (10k)： 用來調(diào)節(jié)階梯波的周期,而在調(diào)節(jié)的同時并不改變階梯波的幅度九、故障及問題分析1、在進(jìn)行WORD仿真后發(fā)現(xiàn)，在WORD上連線與實(shí)際情況有差距，即實(shí)際中可以優(yōu)化電路連線，于是，我先按照WORD圖紙連線后再對線路進(jìn)行優(yōu)化，這樣減少了錯誤的發(fā)生，也使我的電路一次就連線成功，沒有出現(xiàn)線路錯誤。 2、能輸出窄脈沖，但是無法輸出正確的階梯波，原因是沒有了解四個電位器的作用，經(jīng)過逐個調(diào)試并確定每個電位器的作用后成功調(diào)出波形。3.初調(diào)的階梯波在幅度、頻率、階梯數(shù)并沒有達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求，經(jīng)過反復(fù)調(diào)解四個電位器并用示波器監(jiān)測輸出波形最終調(diào)出了符合實(shí)驗(yàn)要求的階梯波。4、在完成

15、拓展實(shí)驗(yàn)（三極管輸出特性曲線測試電路）時，輸出的曲線簇不穩(wěn)定，反復(fù)調(diào)試后還是無法做到輸出穩(wěn)定曲線，經(jīng)分析和老師指導(dǎo)，原因是集電極掃描電壓采用的是函數(shù)發(fā)生器的外部輸入，而這樣無法與階梯波發(fā)生器頻率完全相同，這樣導(dǎo)致了輸出曲線簇不穩(wěn)定。于是，我們將階梯波發(fā)生器內(nèi)部的窄脈沖引出，通過一個RC積分電路，將窄脈沖矩形波積分成三角波座位集電極掃描電壓。十、總結(jié)與心得1、WORD仿真創(chuàng)新心得何謂創(chuàng)新？在某種意義上說，是一種拿來主義和個性化的結(jié)合的產(chǎn)物，而我所做的正是將前人的經(jīng)驗(yàn)同我所擅長的WORD結(jié)合起來。根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，模電綜合實(shí)驗(yàn)最花時間的不是原理的學(xué)習(xí)，也不是電路的調(diào)試。許多人將大量的時間花在了面包板的

16、拆卸，以及檢錯上。由于面包板連線設(shè)計的不合理，或者粗心大意，而造成短路、斷路等很多不必要的錯誤，從而導(dǎo)致無法得到正確的波形。于是我采取了WORD仿真。所謂WORD仿真，其實(shí)是很簡單的一種方法。首先，我在網(wǎng)上找到一張面包板的圖片，插入到新建WORD文檔中，然后，在完全理解實(shí)驗(yàn)電路原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)已有的電路仿真圖，在面包板圖片上連線。需要用到的工具點(diǎn)擊插入-形狀中的線段、箭頭、矩形、橢圓等符號。以下是幾點(diǎn)技巧和經(jīng)驗(yàn)：1、連之前先做個大致規(guī)劃，如我們階梯波電路圖最基本的器件是三個運(yùn)放，我們可以將運(yùn)放作為主線展開，將三個運(yùn)放均勻布置在面包板的中軸線上。其他器件以運(yùn)放所成連線為軸均勻分布在其兩側(cè)；2、

17、將普通電阻和電位器用不同的樣式的矩形區(qū)分開，不同的電阻用不同的顏色表示。如電阻我用 表示，電位器我用 表示，而矩形這個大類表示電阻。而電阻之間我用顏色加以區(qū)分，如R1我用 表示，R2我可以用 表示，記住在進(jìn)行這項(xiàng)操作的過程中務(wù)必同時在記錄不同顏色對應(yīng)的哪一個電阻。這樣操作點(diǎn)擊：插入-形狀-“矩形”畫圖，畫出合適大小的矩形后，雙擊矩形會在菜單區(qū)下方彈出對矩形顏色、樣式進(jìn)行修改的工具欄，可根據(jù)需求設(shè)計矩形樣式及顏色。3、除了電阻用矩形表示，電容用橢圓表示，運(yùn)放用一個矩形并在矩形內(nèi)部加一個橢圓表示，橢圓所在位置表示1管腳位置，不同的電容、運(yùn)放可參照2中的方法加以修改。技巧方法都是我個人喜好，其他同學(xué)

18、可根據(jù)自己習(xí)慣加以創(chuàng)新。WORD仿真雖然簡單，但它有著明顯的優(yōu)點(diǎn)：1、 方便修改連線，很多同學(xué)用坐標(biāo)紙和畫圖板連線，但修改起來很麻煩，都得用橡皮擦，擦不好還會破壞正確的部分。而用WORD的刪除、剪切快捷鍵（Ctrl+D、Ctrl+C）可以方便的修改連線；2、 方便畫圖及表示，WORD提供了強(qiáng)大的形狀庫以及各種樣式和顏色，畫線路和電阻等元件只需簡單的用鼠標(biāo)一拉即可，由于元件有大量的重復(fù)，這時只需要用復(fù)制粘貼快捷鍵（Ctrl+C、Ctrl+D）便可快速完成畫圖。3、 易于檢查錯誤，由于是在電腦上進(jìn)行仿真連線，我們可以任意改變面包板的大小，如果你喜歡，可以將面包板放大到實(shí)際面包板的數(shù)倍大小，這樣，不容易看走眼，及時出現(xiàn)錯誤了，也能在電腦上進(jìn)行修改，而無需拆卸電路板。WORD仿真就是這么簡單，易于上手，同時也是一種高效、正確的方法，至少，我們組采取這種方法后，沒有出現(xiàn)任何連線錯誤，在第一次調(diào)試課上就調(diào)出了波形，大大優(yōu)化了我們的時間配置，讓我們將更多的精力用于調(diào)試和拓展部分的思考。希望我們的方法能夠分享給更多的人！這就是我WORD仿真圖輸出-12實(shí)際面包板2、實(shí)驗(yàn)心得通過本次實(shí)驗(yàn)，我更加深刻的了解了集成運(yùn)算放大器的功能與應(yīng)用，知道了放大器與不同器件