阶梯波发生器电路的设计.docVIP

实验四 阶梯波发生器电路的设计 一、实验目的 1.掌握阶梯波发生器电路的结构特点。 2.掌握阶梯波发生器电路的工作原理。 3.学习复杂的集成运算放大电路的设计。 实验要求 1.设计一个能产生周期性阶梯波的电路，要求阶梯波周期在18ms左右，输出电压范围10V，阶梯个数5个。(注意：电路中均采用模拟、真实器件，不可以选用计数器、555定时器、D/A转换器等数字器件，也不可选用虚拟器件。) 2.对电路进行分段测试和调节，直至输出合适的阶梯波。 3.改变电路元器件参数，观察输出波形的变化，确定影响阶梯波电压范围和周期的元器件。 三、实验原理 为了设计一个负阶梯波发生器，首先考虑产生一个方波，其次，经过微分电路输出得到上下都有的尖脉冲，然后经过限幅电路，只留下所需的正脉冲，再经过几分电路，实现累加二输出一个负阶梯。对应一个尖脉冲就是一个阶梯，在没有尖脉冲时，积分器保持输出不变，在下一个尖脉冲到来时，积分器在原来的基础上进行积分，因此，积分器就起到了几分累加的作用。当积分累加到比较器的比较电压时，比较器翻转，比较器输出正电压，使振荡控制电路起作用，方波停振。同时，这个正电压使电子开关导通，积分电容放电，积分器输出对地短路，恢复到起始状态，完成一次阶梯波的输出。积分器输出由负值向零跳变的过程，又使比较器发生翻转，比较器输出变为负值，这样振荡控制电路不起作用，方波输出，同时电子开关断开，积分器进行积分累加，如此循环往复，就形成了一系列阶梯波。其原理框图如下图所示。 四、实验步骤 1．首先设计一个方波发生器，设计电路原理如下图所示。 双击图中示波器，得到方波发生器的输出波形如图下所示。 从下图中可以读出方波的周期为2.767ms，幅度为5.878V。图中另一条线为电容C1两端电压的变化曲线。 2.在方波发生器的输出端接电阻和电容组成的微分电路如下图所示。 示波器可以得到尖脉冲波形如下图所示。 3.设计限幅电路，将负半周的尖脉冲率除掉。利用二极管的单向导电性来进行限幅，电路如下图所示。 示波器输出的单边尖脉冲如下图所示。 4．设计积分累加电路，用集成运放组成的积分电路实现积分累加，在前面电路的基础上连接积分累加电路如下图所示。 示波器得到积分累加的输出波形如下图所示。 5．设计周期阶梯波，在第4步的基础上加上电压比较器和开关控制电路，就组成了完整的阶梯波发生电路，如下图所示。 电路的输出波形如下图所示。从图中可以读出周期性阶梯波的周期为18.029ms，电压变化范围约为9.940V，阶梯数为5个。设计符合要求。 6.逐个分析各个元件对波形的影响，通过方波振荡周期T=2R9C3ln(1+2R1/R2)可知阶梯波的周期与R9C3成正比。通过改变整体电路中的R9和C3的值可以改变阶梯波的周期。 当R9=75.0 kΩ时阶梯波波形如下图所示。 当R9=21 kΩ时阶梯波波形如下图所示。 当C3=75nF时阶梯波波形如下图所示。 当C3=22nF时阶梯波波形如下图所示。 通过上面几个图可以看出，R9 C3大小与阶梯波的周期成正比。 通过调节电路可知，改变电路中的R8和C2的值可以改变阶梯波的每个阶梯的高度。 当R8=5.1kΩ时阶梯波波形如下图所示。 当R8=715Ω时阶梯波波形如下图所示。 当C2=75nF时阶梯波波形如下图所示。 当C2=30nF时阶梯波波形如下图所示。 通过比较波形图可得R8C2与阶梯波的每个阶梯的高度成反比。 改变R5,R10,R11的值可以改变阶梯波输出电压的范围,在此仅仅改变R11的值来观察结果。 当R11=7.50kΩ时阶梯波波形如下图所示。 当R11=17.4kΩ时阶梯波波形如下图所示。 五、实验小结 设计一个阶梯波发生器，如果想整体上一次性设计完成是有很大难度的，通过老师的讲解和书上的指导，将电路通过功能分块进行设计就会显得不那么复杂，可这又会碰上另一个问题，那就是设计分块电路在拼接成一个完整电路时并不能产生很符合条件的阶梯波，这就需要我们了解各部分的工作原理，针对自己波形的问题去寻找问题的根源，不断的对电路进行调试，直到出现令人满意的波形为止。这不仅要求我们有基本的模电知识和对电路的判断能力，还要有耐性和细心才能很好的完成实验。