阶梯波形发生器

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）学习复杂的集成电路运算放大电路的设计。 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、阶梯波发生器实验原理

首先由一个方波电路产生方波，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，再通过积分电路后，因脉冲作用时间很短，积分器输出就是一个负阶梯。对应一个尖脉冲就是一个阶梯，在没有尖脉冲时，积分器的输出不变，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，积分器就起到了积分和累加的作用。当积分累加到比较器的比较电压，比较器翻转，比较器输出正值电压，使振荡控制电路起作用，方波停振。同时，这正值电压使电子开关导通，使积分电容放电，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，同时使电子开关截止，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。 四、分段电路图及原理分析 1.方波发生器：

方波发生器由反相输入的滞回比较器和RC 电路组成。其中，RC 既作为延迟环节，又作为反馈网络。方波振荡周期41132R T=2R C ln(1+

)R ，阈值电压4

T Z 43

R U =U R +R ±±∙。因此，调整电路中的4R 、3R 可以改变方波的振荡幅度，调整1R 、1C 、

4

3

R R 可以改变振荡

周期，其中1R 、1C 与T 成正比关系。

预期目标，方波周期应为2.6ms ：

方波发生电路输出波形

所得周期为2.628ms 。

2、微分电路

方波发生器电路图的基础上接上5R 和2C 组成的微分电路就得到尖峰脉冲产生电路。

方波发生电路加微分电路

微分电路输出尖脉冲波形

3、限幅电路：

限幅电路，目的是将负半周的尖脉冲滤除。利用二极管的单向导电性来进行限幅。

方波微分限幅电路

限幅电路输出波形

4、积分累加电路：

用集成运放组成的积分电路实现积分累加。

方波微分限幅积分电路

积分电路输出波形

5、阶梯波发生电路

以上加上电压比较器和控制电路，就组成了完整的阶梯波产生电路。对电路的各个元件数进行调整，从而得到满足要求的阶梯波。（此时的电路部分元件已调整，数值与前面电路有所不同）

阶梯波发生器电路

阶梯波波形

可以读出周期性阶梯波的周期为17.857ms左右，输出电压范围为9.630V，阶梯数5个，满足实验要求。

五、影响阶梯波电压范围和周期的元器件分析

1.方波发生电路中元件的影响分析

（1）R2:

R2为1KΩ时的输出波形: R2为10KΩ时的输出波形:

R后阶梯波周期与阶梯个数都有影响，对于阶梯波电压范围没有影响。由此可以看出改变2

R增大而增大。

阶梯波周期与阶梯个数随着2

C与1R

（2）1

C为50nF时的输出波形1C为100nF时的输出波形

1

R为60.4KΩ时的输出波形1R为121KΩ时的输出波形

1

C、1R后阶梯波周期改变，对于阶梯波电压范围与阶梯个数没有影响。阶梯波周可以改变1

C、1R成正比。

期与1

R4和R3

4R 为28.7K Ω时的输出波形 4R 为14.3K Ω时的输出波形

3R 为49.9K Ω时的输出波形 3R 为100K Ω时的输出波形

可以改变4R 、3R 后阶梯波周期改变，对于阶梯波电压范围与阶梯个数没有影响。阶梯波周期随着4R 增大而增大、3R 增大而减小。 由公式4113

2R T=2R C ln(1+)R 可知其与周期不成正比关系。

（4）稳压管

稳压管4V 的输出波形 稳压管1N750A 的输出波形

2.微分电路中元件的影响分析 （1）2C

2C 为50nF 时的输出波形 2C 为300nF 时的输出波形

可知改变2C 后阶梯波周期与阶梯个数都有影响，对于阶梯波电压范围没有影响。阶梯波周期与阶梯个数随着2C 增大而减小。 （2）5R

5R 为1.69K Ω时的输出波形 5R 为3K Ω时的输出波形 可知改变5R 后阶梯波周期与阶梯个数都有影响，对于阶梯波电压范围没有影响。阶梯波周期与阶梯个数随着5R 增大而减小。

3.限幅电路中元件的影响分析

限幅电路仅由二极管构成，改变二极管对阶梯波波形有影响，会影响阶梯波周期与个数。 另限幅电路若加一电阻6R ，则也会有影响，但是由于电路中未用，故不做讨论。

二极管为1N914时的波形 二极管为1N5820时的波形

4.积分电路中元件的影响分析

（1）积分电路中电阻6R 的影响

6R 为15K Ω时的输出波形 6R 为30K Ω时的输出波形 可知改变6R 后阶梯波周期与阶梯个数都有影响，对于阶梯波电压范围没有影响。阶梯波周期与阶梯个数随着6R 增大而增大。

六、分析结论

1.调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的周期？

2R 增大而增大、与1C 、1R 成正比、4R 增大而增大、3R 增大而减小、2C 增大而减小、5R 增大而减小、6R 增大而增大、3C 增大而增大、9R 增大而减小、8R 增大而增大、

7R 减小而减小（增大影响输出）

。另二极管、稳压管、场效应管等元件也有影响。 2.调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的输出电压范围？

9R 增大而减小、8R 增大而增大、7R 减小而减小（增大影响输出）。另二极管、稳压管、场效应管等元件也有影响。