阶梯波发生电路的设计

阶梯波发生电路的设计

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器电路的设计。

二、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20ms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

1、阶梯波发生器原理

要设计阶梯波发生电路，首先要设计好方波发生电路，然后通过微分电路，这是会得到上下均有尖脉冲的波形。这是要只取上面的尖脉冲，就需通过限幅电路滤除下半部分的波形。当这些脉冲经过积分累加电路时，一个尖脉冲累加为一个固定的值，下一个脉冲到来时又会增加同样的一个值，于是输出形成了阶梯波形。当累加结果没有超过比较器的阈值时，会一直累加下去。而达到门限后，比较器输出电压翻转，输出正电压使振荡控制电路工作，使方波停振，同时积分电容对地短路放电，电容器恢复起始状态累加结束。而在电容放电之后，积分器输出由负值向零跳变，使比较器又一次翻转，振荡电路不能工作，比较器输出变为负

图3.01 阶梯波发生原理框图

2、实验原理图

图3.02 阶梯波原理图

四、实验过程

1、电路设计

（1）方波发生电路设计

设计电路如图3.03所示，从图3.04所示的示波器中可读出方波的周期为3.774ms。

图3.03 方波发生电路

图3.04 方波波形

（2）微分电路设计

在图3.03所示的方波发生电路的输出端接电阻R5和电容C2即可组成图3.05所示的微分电路，示波器所得的输出波形见图3.06的尖脉冲波形。

图3.05 方波发生电路+微分电路

图3.06 方波微分后波形

（3）限幅电路设计

限幅电路的作用是将负半周期的尖脉冲滤除掉。可利用二极管的单向导电性来进行限幅，电路如图3.07所示。示波器显示的单边尖脉冲如图3.08所示。

图3.07方波发生电路+微分电路+限幅电路

图3.08 单侧脉冲波形

（4）积分累加电路设计

用集成运放组成的积分电路实现积分累加，在图3.07所示电路的基础上连接积分累加电路

如图3.09所示，打开仿真开关，可以得到积分累加的输出波形如图3.10所示。

图3.09 方波发生电路+微分电路+限幅电路+积分累加电路

图3.10 阶梯波形

（5）周期阶梯波电路设计

在图3.09的基础上家上电压比较器和开关控制器，就组成了完整的阶梯波发生电路，如图3.02所示，输出波形如图3.11。从图3.11可以读周期性阶梯的周期为21.803ms左右，电压变化范围为10V，阶梯个数为5个。

图3.11 阶梯波波形

2、改变元件参数确定其作用 （1）只影响周期的量

首先当成倍改变R4或C1的值时，周期T 的值也成相同的倍数改变。若改变R2或R1的值，周期T 也会改变，但均不是线性关系。实际上，振荡周期241ln(122/1)T R C R R =+。下面保持其他部分不变，令R4=150k Ω，即扩大两倍时，波形如图3.12所示，周期T=41.929ms ，约莫扩大两倍，而电压变化范围和阶梯高度不变化。保持其余不变，令R2=20k Ω，即扩大两倍，则周期T=31.866ms ，波形如图3.13所示，并非一般线性关系，电压变化范围和阶梯高度也保持不变。

图3.12 R4=150k Ω，其余不变 图3.13 R2=20k Ω，其余不变

（2）只影响阶梯高度的量 ①积分电路对波形高度影响

改变C3的值会改变阶梯的高度，具体关系见下表3.01 (电容换成虚拟元件进行测试)。由表可知，当其余值保持不变，仅改变C3的值，则阶梯的高度与之成反比。

表 3.01 改变C3， 其余不变

改变R5的值也会改变阶梯的高度，理论上，根据积分电路的原理，改变电路中的53R C 可以改变阶梯波的每个阶梯的高度。53R C 与阶梯波的每个阶梯的高度成反比。但实验测得的

表 3.02 改变R5， 其余不变

②微分电路对波形高度影响

同样C2的值也会影响阶梯高度，具体关系见表3.03。由表可知，当其余值保持不变，仅改表3.03 改变C2，其余值不变

R11的值对阶梯高度也有影响，见表3.04。可以看出，阶梯高度与R11并没有明显的正比关

表3.04 改变R11的值，其余不变

③总结

可见，影响阶梯高度的主要是R5、C3、R11和C2。根据微分器积分器原理，理论上，阶梯高度与

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C R C R ••成正比关系。实际上，根据实验所测，对于电容关系正确，但对于电阻关

系并不能准确刻画。其实这样的正比关系是忽略了中间的单向限幅电路的影响，对于本实验的阶梯波电路影响输出波形的主要是电容元件。 （3）同时影响周期和幅度的量

①改变R8的值，阶梯波电压范围和周期都会改变，而阶梯高度基本不变。若增大R8的值，则阶梯波电压范围和周期均变小。

图3.14 R8= 20kΩ，其余不变

②改变R10的值，阶梯高度基本不变，但阶梯波电压变化范围变化，周期也会变化，增大R10时，阶梯波电压变化范围变大，周期变大。

图3.15、R10=20kΩ，其余不变

③改变R9时，电压范围和周期也会变化，阶梯高度不变。减小R9时，电压范围和周期均变