实验——阶梯波

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电路的设计。

二．试验设计原理
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：
原理框图
阶梯波发生电路原理图
三．实验要求和实验步骤
1.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。

2.试验步骤
1）首先设计一个方波发生器，设计电路原理图如下图所示：
方波发生电路的原理图
双击上图示波器得到方波发生器的输出波形如图所示：
方波发生器输出波形
从上图可看出方波的周期为3.103ms，幅度为10.813V，上图中锯齿波是从C1断
输出得曲线。

2）在方波发生器的输出端接电阻R3和电容C2就组成了微分电路如下图所示：
方波发生+微波电路原理图
双击上图示波器得到输出波形为双边脉冲波形如图所示：
由微分电路输出的双边脉冲波形
3）设计限幅电路，将负半周的尖脉冲滤除掉。

利用二极管的单向导电性来进行
限幅，电路图如下：
方波发生器+微波+限幅电路原理图
得到单边尖脉冲如下图：
限幅电路输出的单边尖脉冲波形
通过上图可以看出波形进过二极管后下部分的波形被滤除掉了，只剩下了正半轴的波形。

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图所示：
方波发生器+微波+限幅+积分累计电路原理图
打开仿真开关，得到积分累加的输出波形如下图所示：
接入积分累加电路后输出的波形
5）设计周期阶梯波，在（4）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，其原理图如下图所示：
阶梯波发生电路原理图
其输出波形如下图所示：
输出的阶梯波形
从上图可以看出阶梯波周期在18.029ms左右，输出电压范围10.009V，阶梯个数为5个。

6)改变电路元器件参数，观察输出波形的变化
a)研究哪些元件影响阶梯波周期
当R10=30KΩ时的阶梯波形，其周期变为了12.369ms，说明R10变小周期也变小
当C1=10nF时的阶梯波形，其周期为4.612ms，说明C1变小周期也变小
通过以上两图以及逐步分析各个电路的输出波形，发现改变R10和C1可以改变
阶梯波的周期，因为振荡周期
1
11
2
(1)
101
2ln
R
R
T R C
+
=
，所以阶梯波的周期与R10C1
成正比。

b)研究阶梯波的电压范围与那些元件有关
当C3=62nF时的阶梯波形图，其电压范围从10.009V变为9.586V，说明改变电容C3会影响电压范围，并且C3变大电压范围变小成反比。

并且阶梯波的阶梯数从5变到了9.
当R5=5.1kΩ时的阶梯波形图，其电压范围从10.009V变为9.867V，说明改变
电容R5会影响电压范围，并且R5变大电压范围变小成反比。

通过以上两图以及逐步分析各个电路的输出波形，发现改变R5和C3可以改变阶梯波的电压范围，所以得出R5C3与阶梯波的电压范围成反比。

改变R12波形图会出现如上图所示的毛刺
c)同时影响周期和幅度的量
1）改变R
7的值会改变阶梯波的周期与电压范围，若增大R
7
则周期变小，电压
范围变小
将R
7
增大到11KΩ时的阶梯波形图
2）改变R
12
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R
12
时，阶梯波电压变化范围变大，周期变小。

R
12
变为16.5KΩ的波形图
3) 改变R
8时，电压范围和周期也会变化，阶梯高度不变。

减小R
8
时，电压范围
和周期均变小。

R
8
变为9.09KΩ的波形图
4)改变二极管D
1和D
2
的型号对波形的影响
四． 试验分析及体会
1.误差分析
a)对阶梯波的周期的误差进行分析
本次实验中根据输出的波形图测量出阶梯波的周期为18.029ms 而实验要求阶梯波的周期为18ms ，其误差率为
100%0.16%T T E T -=⨯=真
真
产生以上误差的有很多原因，其中主要原因是：阶梯波的周期主要是由方波发生器确定的方波电路中对周期起作用的主要是电阻R 10电容C 1共同决定的并且与他们的值成正比所以调节两个的值就可以了但是软件给的电阻与电容的值都不是连续的所以产生了误差，产生的误差在误差允许的范围内。

所以在本次实验中对周期的调整蛮成功的。

b)对阶梯波的电压范围的误差进行分析
本次实验中根据输出的波形图测量出阶梯波的电压范围为10.009V 而实验要求阶梯波的电压范围为10V ，其误差率为
100%0.09%U U E U -=⨯=真
真
产生以上误差的有也有很多原因，其中主要原因是：阶梯波的电压范围主要有积分电路确定的而在积分电路中决定电压范围的是电阻R 5电容C 3决定的，并且与他们的值成反比。

其产生的主要误差与上面的差不多都是由于软件给的元器件实的值不是连续变化的所以很难调到与要求的值一样。

2.实验的体会
本次实验主要是设计一个周期阶梯波产生电路，要实现阶梯波产生电路需实现几个部分，因为阶梯波是由及部分实现的。

第一部分是方波产生电路，该部分主要是产生一系列需要的方波；第二部分是微分电路，该部分主要是对方波进行微分产生一系列的脉冲波；第三部分是限幅电路，该部分主要是把第二部分产生的双边脉冲波变成单边脉冲波形；第四部分是积分累加电路，该部分主要是产生阶梯波。

最后两部分是比较器与振荡控制电路，这两部分是让第四部分产生的阶梯波生成周期阶梯波。

了解以上几部分的功能后就一部分一部分的设计，一部分一部分的调试。

本次实验中的元器件的值都很敏感，只要稍微变一下产生的波形就会发生变化，所以本次实验的难点是选择好每个元器件的型号以及值。

并且实验中所用到的三极管和二极管的型号对实验的影响也很大。

其次还要注意阶梯波的周期和电压范围与哪些因素有关，经过试验的出阶梯波的周期与R 10C 1成正比。

电压范围与R 5C 3成反比。

波形的最后一介的毛刺主要是由电阻R 12产生的。

这次实验整体难度比前两个实验难，并且比较复杂需要一级一级的分析，哪一级出问题就会影响整体电路。

但是整体也是由局部组成的，也需要一步一步的分析，这次实验让我感受颇多，让我了解到了从局部到整体的分析方法。