阶梯波发生器的设计与实现实验报告
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阶梯波发生器的设计与实现实验报告
姓名:林影班级:07606 学号:071907 班内序号:26
摘要:本实验主要用了三个运算放大器来实现阶梯波的发生,其中一个作为迟滞电压比较器,一个作为窄脉冲发生器,还有一个作
为积分器。
窄脉冲发生器形成方波后,通过一个二极管使积分
器对其中的负脉冲部分进行积分,形成阶梯波。
阶梯波的周期
由迟滞电压比较器来控制,随着积分器的输出电压不断增高,
迟滞电压比较器的会从输出低电平变为输出高电平,这时积分
器输出电压会下降,当输出电压值降到迟滞比较器的下门限电
压时,完成一个周期。
关键词:负脉冲积分反馈
设计任务要求:
基本要求
1.利用所给元器件设计一个阶梯波发生器,f >= 500HZ, U opp >= 3V,
阶数N=6;
2.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
1.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,在示波器上可以观测到基本电流为不同值
时三极管的输出特性曲线束。
探究环节:
1. 能否提供其他阶梯波发生器的设计方案?若能,请通过仿真或实验结果加以证明;
2.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:
要形成阶梯波,可以用一个运算放大器对负脉冲进行积分,因此需要设计一个积分器;要发生负脉冲,还需要一个负脉冲发生器;最后,为控制阶梯波能达到的高度和阶梯波的周期,需要一个迟滞电压比较器。
总体结构框图如下。
总体结构框图
分块电路设计
下面就依次对负脉冲发生器、积分器、迟滞电压比较器进行设计。
1.电源电路
(原理图在14页PROTEL 绘制的原理图中有)
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,范围5~15V 。
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:
5)1(11=++=z oN U W
R R U
15)1(21=++=Z oM U R W R U 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I R =1mA 。
得到电阻方程组:
K I U R W R R R
oN 521===++ 5)5.4()1(1
11=-=++=R R R U W R R U z oN
15)5.4()1(2
21==++=R R U R W R U Z oM 解方程组得:R 1=500Ω、R 2=1.5K Ω、W=3K Ω。
为了保证最大输出为15V ,整流输出U oI ≥15+3=18V ,取滤波电路输出电压U oI =1.1UEF ,则变压器次级输出电压有效值U EF =U OI /1.1=18/1.1=16.4V ,考虑到市电220V 有10%的波动,则U EF ≥16.4/0.9=18.2V
2. 负脉冲发生器
试验中,我们虽然不知道怎样直接利用运算放大器形成负脉冲,但是我们可以利用它形成方波,做成一个方波发生器。
容易想到,如果在方波发生器与积分器之间加上一个二极管D 4,使方波发生器与积分器之间只能导通负脉冲,那么方波发生器与二极管就形成了一个负脉冲发生器了。
方波发生器由一个LM741运算放大器U 1、一个0.01u 的电容C 1和一个100k 的电阻R 1构成,如下图。
负脉冲发生器
电阻R1在电路中构成反馈网络,在这个运放的同相输入端加一个正参考电压,则6管脚输出方波,在负脉冲持续期间,二极管导通,将负脉冲送到积分器。
3.积分器
为了对负脉冲进行积分,将负脉冲通过电阻R2从运算放大器U2的反相输入端输入,然后在U2的输出与反相输入端间搭建一个电容C2,构成反相积分器。
在负脉冲持续期间,负脉冲发生器中的二极管导通,积分器对负脉冲积分,U2输出电压上升;负脉冲消失后,二极管截至,U2输入、输出保持不变,形成一个台阶。
每对一个负脉冲积分,U2输出电压增加:
其中,R2C2为积分常数,U o为U2反相输入端的输入电压,T为积分时间,即每个负脉冲存在的时间。
积分器
4.迟滞电压比较器
迟滞电压比较器的作用就是要使积分器输出端的电压达到一定值后,又下降变为零,从而进入下一个周期。
迟滞电压比较器的原理如下:
R3在电路中引入了反馈,使比较器输出电压处于高低电平(Uom/Uon)时,门限电压Uth值不同。
将积分器的输出电压经过一个电位器送到运算放大器U3的同相输入端,那么就还需要在它的反相输入端输入一个参考电压Ur。
当U3的同相端输入电压比上门限电压Uth+低时,它输出低电平,当U3的同相端输入电压比上门限电压Uth+高时,输出电压U3o发生跳变,输出高电平。
迟滞电压比较器
当U3的输出由低电平变为高电平,此时阶梯波的阶数为N等于积分器的输出电压处以每次积分升高的电压,即
N=U2o / △U2
用一个二极管将迟滞电压比较器的输出与积分器的反相输入端相连,使迟滞电压比较器输出低电平时,二极管截至,
输出高电平时,二极管导通。
若该二极管导通,则积分器将
进入正电压积分,积分器的输出电压将下降。
知道积分器的
输出电压下降到迟滞比较器的下门限电压时,迟滞比较器输
出又恢复低电位,二极管截至,完成一个周期。
总体电路的设计:
总的电路图如下:
图中,R8=200K,R5=10K,R7=22K,R6=10K;
参数计算公式为:
()'1T
N T += ()⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡-+=11111'121ln R m f m p U U R U R C R T ()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++=11111'
221ln R m f m p U U R U R C R T ()()
⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-++=12212211111'41ln R m f m f p p U U R U R R R C R T T 为阶梯波周期,'T 为脉冲波周期,N 为阶梯数;'
1T 为高电平持续时间;'2T 为低电平持续时间。
所实现功能说明(已完成的基本功能和扩展功能,主要测试数据,必要的测试方法等):
1.基本功能
在运放U1的输出端(6脚)可以产生方波,且方波里包含负脉冲部分
在运放U2的输出端可以测到阶梯波
f
上图共6个阶梯,频率f=544HZ,峰峰值Uopp=7.68V,均符合要求。
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:
R8(书中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。
R5(书中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。
R5(书中Rw3):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。
R5(书中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。
运放U3的输出端可以测到冲击波
2.扩展功能
刚开始没做扩展功能,以为会很难。
验收之后没事再实验室继续摆弄,才发现其实挺简单。
阶梯波发生电路:提供随阶梯变化的基极电流。
积分电路:提供集电极扫描电压。
适当调节阶梯波发生电路,使阶梯电流的周期满足扫描电压周期的整数倍,则可观测到较为规范的三极管输出特性曲线。
3.探究环节
LM324运放制作阶梯波发生器
原理图:
原理简述:
上图是一种用电流型运放组成的阶梯波发生器实用电路。
运放A1及外围元件构成矩形波发生电路,输出脉冲串。
运放A2及其外围元件是积分-保持电路,其积分电容对输入的脉冲积分,并保持信输入脉冲的阶跃,在输出端得到的是各次阶跃的积累,即是阶梯波。
运放A3是电压比较器。
当阶梯波电压上升到电源电压的80%左右时,A3发生翻转。
运放A4及其外围元件是单稳态电路,A3的翻转使其输出一个脉冲(约100uFs),用来作为复位脉冲,使A2复位,从而完成一个阶梯循环。
故障及问题分析:
搭建和调试电路板的过程中遇到的问题:
1.没有检测运放的好坏便直接搭建电路,结果电路没信号,将运
放拿到测试仪上检测才发现它坏了,浪费了好多时间。
得到的
教训是以后做实验一定要先检查器件的好坏。
2.搭好电路后测试第一级能出负脉冲,但是第二级却是直流,反
复改进电路也没用,偶然间将其中一个电位器翻转,示波器上
就显示阶梯波了。
原来是因为电位器的阻值没调到合适的值,
是输出的波形幅度非常小,看起来就像直流。
用PROTEL软件进行仿真的过程中遇到的问题
对这个软件不是很熟悉,所以从一开始就问题不断。
先是不知道怎么查找器件,所需要的器件只能找到为数不多的几个,后来通过问同学才得到解决。
然后是将原理图画好后不知道怎么导入PCB板,最后通过上网查找Protel的教程才学会的。
总结和结论:
在搭建比较复杂的电路时,可以先将电路分成几个模块,分块搭建,这样减轻了难度,也容易查错。
正式做实验前,应该先了解试验所用的器件,知道它们的特性,并事先计算或推测出每个地方该出什么波形,这样便于检查。
PROTEL绘制的原理图:
电源电路的原理图
阶梯波实现电路的原理图
所用元器件及测试仪表清单:
参考文献:
北京邮电大学电子工程学院电路实验中心编:《电子电路综合设计实验教程》,
北京邮电大学电子工程学院电路实验中心编:《电子测量与电子电路实验教程》
林家儒等编著:《电子电路基础》。