畢業設計76北京郵電大學電子電路綜合實驗

電子電路綜合實驗

階梯波發生器設計與實現

階梯波發生器設計與實現

一 中英文摘要及關鍵詞：

中文摘要：

階梯波是一種取值不隨時間連續變化的信號，它的取值具離散性。當今這個

數字時代，在一些實際應用中，由于階梯波信號的數字特性而被廣泛使用。本次

實驗是利用運算放大器組合，利用二極管單向導通特性，設計一個階梯波發生器。

由方波-三角波發生器與遲滯電路比較器實現了一個階梯波發生器

關鍵詞：

階梯波、運算放大器、遲滯電壓比較器

Abstract of ladder waveform generator design experiment：

Ladder waveform is a signal who values change almost discretely.

Nowadays it’s a digital era，step signal is widely ud in many practical

ways，This experiment design a ladder waveform generator by diode

characteristic and combinations of operation amplifiers.

Key words:Ladder Waveform , Operation Amplifier ,

Hysteresis Voltage Comparator

二 實驗目的：

1 通過實驗進一步掌握集成運放和電壓比較器的應用

2 進一步增強工程設計和實踐動手能力，建立系統概念

三 設計任務要求：

１ 基本要求：

１)利用所給元器件設計一個階梯勃發生器，f>=500Hz,Uopp>=3V,階梯N=6.

２)設計該電路的電源電路（不要求實際搭建），用PROTEL繪制完整的電路

原理圖(SCH);

２ 提高要求：

１)用PROTEL繪制完整的印制電路板圖(PCB);

２)在接替勃發生器的基礎上，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三極管的輸出特性曲線束；

３ 探究環節：

１)提供其他階梯波的設計方案，（通過仿真或實驗結果加以證明）；

２)探究其他階梯波發生器的應用實例，給出應用實例。

四 設計思路、總體結構框圖：

階梯波發生器可以分為三個模塊設計三個模塊都要用到都是集成運算放大器

1 窄帶脈沖發生器 2 積分器 3遲滯比較器

仔細閱讀試驗原理及要求

分塊設計階梯波發生器

窄帶脈沖發生器 積分器 遲滯比較器

計算電阻電容等器件參數

計算機仿真

若波形不符合則重新計算參數

在電路板上搭建電路

認真檢查連接保證正確

實驗室實際調試

五 階梯波發生器分塊電路和總體電路的設計：

T為階梯波周期 T＝（N＋1）T’,

??

2RU

p1m

T'?RCln1?

111

??

T1’ 高電平持續時間

R(U?U)

??

f1mR1

??

T'?RCln1?

211

??

??

??

??

T2’低電平持續時間

R(U＋U)

f1mR1

2RU

p1m

2

??

4R（R?R)U

p1p1f1m

T'?RCln1?

11

??

T’為脈沖波周期

222

R(U?U)

??

f1mR1

??

1 窄脈沖發生器的設計

N為階梯數。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，為簡化設計T1’和T2’的

計算公式中，對數部分我們可以設為

1，取R1＝100KΩ，根據已知的頻率f

可計算電容C的值。窄脈沖的寬度T2’

可用220KΩ電位器來調節。

2 積分器的設計

對負脈沖進行積分的時間常數為R2*C2，

每積分一次C2獲得的電壓增量為

?U??Udt?U

C2on1on1

R2C2

1

?

0

T2'

T2'

R2C2

欲使0～11V之間有6個階梯，應該

?U

C2

1.8V。取R2＝100KΩ，＝11.6V。

U

on1

3 遲滯電壓比較器的設計

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為Uth＋＝11V，

Uth－＝0V。參考電壓可以用10kΩ電位

器調節，或用固定電阻分壓。為方便電

路調節，Rf3可以是一50kΩ左右固定電

阻加上一個22kΩ電位器。為了使階梯返

回時間小于一個臺階，R3應小于R2，

可以取R3為10kΩ。

4 階梯波發生器總電路圖(PSpice)

運算放大器U1構成遲滯電壓比較器，U2是積分器，U3為窄脈沖發生器。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輸出為負脈沖。在負脈沖持續期間，二極管D16

導通，積分器U2對負脈沖積分，其輸出電壓上升。負脈沖消失后，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U1輸出低電平，二極管D15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，D15導通，積分器進入正電

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輸出才又恢復低電位D15截止，完成一個周期。

其中Rf1=220kΩ，Rp1=10kΩ, Rp3=22kΩ，; Rw3=10kΩ

階梯波發生器電路圖

窄帶脈沖仿真

U3積分器產生的階梯波仿真

六 實驗實現功能說明：

通過該電路完成的階梯波發生器 實現了一個可產生頻率可調，幅度

可調，階梯數可調的周期階梯波的發生器，主要通過電位器來調節階

梯波的頻率，幅度以及階梯數。各個電位器的功能如下所示：

Rp1 (10kΩ)： 用來調節階梯波的頻率

Rp3（22kΩ）： 用來調節階梯波的幅度大小

Rf1（220kΩ）： 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

Rw3 (10kΩ)： 用來調節階梯波的周期,而在調節的同時并不改變

階梯波的幅度

七 故障及問題分析：

1.電路搭建完成以后，發現不能出波形，后來經過仔細檢查連接發現窄帶脈沖發

生器的電阻插錯管角導致電路故障，重新插好電容后窄帶脈沖波正常

2．能輸出脈沖波但是開始調試不出階梯波，原因就是不清楚各個電位器的作用，

經過逐個電位器調試后弄清了每個電位器的功能后就調出了階梯波

3.初調的階梯波在幅度、頻率、階梯數并沒有達到實驗的要求，經過反復調解四

個電位器并用示波器監測輸出波形最終調出了較為滿意的波形，但是由于電容的

充放電時間導致波形不是非常陡峭

八 總結與結論：

通過本次實驗，我更加深刻的了解了集成運算放大器的功能與應用，知道了放大

器與不同器件（電阻、電容等）的組合可以實現多種函數的功能，如積分、微分、

比較等。在階梯波發生器實驗中就是利用了幾個典型的組合：積分器，窄帶脈沖

發生器，遲滯比較器，完成了階梯波發生器的設計。

在設計中把從課本中學到的理論應用到了實際參數計算，這是一個困難的過程，

因為實際問題中我們要活學活用。另外在實際操作的時候由于連接馬虎造成了不

少不必要的錯誤，通過模塊檢查錯誤排除了一些故障，并不像以前那樣是一發現

錯誤就拆除整個電路。最終的到了基本符合要求的階梯波波形。

在完成了大二一年的模擬電路實驗課之后，我覺得自己的實際動手操作能力有了

明顯的提高，在計算參數的時候做到了理論聯系了實際，并學到多種排查故障的

方法。加強了對系統的分模塊搭建，分模塊測試并修正的概念。

九 PROTEL原理圖：

階梯波發生器：

穩壓電源電路原理圖：

十 所用元器件及測試儀表清單：

電路元器件列表:

器件名型號 用途 數

稱 目

運算放實現積分,比較等功能

大器

電位調節階梯波的幅度,周期,階梯數

器

二極管 利用它的開關特性

2CP 2

通過負反饋實現積分功能 電容器

提供負反饋 電阻

連接電路 若導線

2 0.01uF

3 50K ,100K

干

LM741 3

220K,10K,22K 4

測試儀器列表:

儀器名稱 型號 用途

直流穩壓電源 提供直流信號

示波器 觀察階梯波波形

HT1712

CS4135

十一 參考文獻：

《電子測量與電路實驗》張詠梅等著

《電子電路基礎》謝沅清 解月珍 著

電路中心網站：

中國傳媒大學精品課程/cour/shen/htm/

十二 其他方法產生階梯波

LM324 4148 Vcc=12V

這是一種用電流型運放組成的階梯波發生器實用電路。運放A1及外圍元件構成矩形波發生

電路，輸出脈沖串。運放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躍，在輸出端得到的是各次階躍的積累，即是階梯波。運放A3

是電壓比較器。當階梯波電壓上升到電源電壓的80%左右時，A3發生翻轉。運放A4及其

外圍元件是單穩態電路，A3的翻轉使其輸出一個脈沖（約100uFs），用來作為復位脈沖，

使A2復位，從而完成一個階梯循環。

仿真時出現次錯誤不知如何解決（ ERROR PSpiceAD 03:13PM EVALUATION

VERSION analog Node Limit (64 Nodes) Exceeded!）本人覺得是版本問題

理論應該得到如下波形