阶梯波发生器的设计与实现

课题名称

阶梯波发生器的设计与实现

摘要

阶梯波是一种取值不随时间连续变化的信号，它的取值具离散性。当今这个数字时代，在一些实际应用中，由于阶梯波信号的数字特性而被广泛使用。本实验的目的是设计与实现一个阶梯波发生器。实验电路由窄脉冲-锯齿波发生器构成，通过将运算放大器的几个典型电路——方波发生器、积分器和迟滞电压比较器，以及二极管形成的控制门等主要元器件，进行合理的改进组合，设计出阶梯波发生电路。实验用两个二极管分别作为阶梯波形成控制门和阶梯波返回控制门；通过调节相应的电位器，改变阶梯数、阶梯幅值、阶梯周期以及阶梯波周期等波形特性。

关键词

阶梯波，集成运放，电压比较器

设计任务要求

1、基本要求：

1）利用所给元器件设计一个阶梯波发生器，f≥500Hz，Uopp≥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）。

2、提高要求：

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极电流为不同值时三极管的输出特性曲线束。

3、探究环节：

1）能否提供其他阶梯波发生器的设计方案？如果能提供，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

该电路是由方波－三角波发生器与迟滞电压比较器构成。运算放大器U1构成迟滞电压比较器，U3是积分器，U4为窄脉冲发生器。两个二极管，其中D1是阶梯形

成控制门，D2是阶梯返回控制门。由于U4的同相输入端加入一个正参考电压，U4输出为负脉冲。在负脉冲持续期间，二极管D1导通，积分器U3对负脉冲积分，其输出电压上升。负脉冲消失后，D1截止，积分器输入、输出电位保持不变，则形成一个台阶，积分器U3的输出的阶梯波就是迟滞比较器U1的输入，该值每增加一个台阶，U1的输入电压增加一个值。在台阶级数较少的时候，U1的同相输入端的电位比反相输入端的参考电压低，使U1输出低电平，二极管D2截止。随着台阶级数的增加，当U1的同相输入端电压高于参考电压时，U1的输出跳变至高电平，D2导通，积分器进入正电压积分，使U3输出电位下降，直到U3输出电压降至迟滞比较器的下门限电压时，U1输出才又恢复低电位D2截止，完成一个周期。

总体结构框图

分块电路和总体电路的设计

参数计算公式：T＝（N＋1）T’,

T为阶梯波周期，T’为脉冲波周期，N为阶梯数；T1’高电平持续时间；T2’低电平持续时间。

1、窄脉冲发生器的设计

N为阶梯数。Um是脉冲波电压幅度，此

电路中可由电源电压决定。Ur1取6V左右即

可，为简化设计T1’和T2’的计算公式中，对

数部分我们可以设为1，取R1＝100KΩ，根据

已知的频率f可计算电容C的值。窄脉冲的宽

度T2’可用220KΩ电位器来调节。

2、积分器的设计

对负脉冲进行积分的时间常数为R2*C2，每积分一

次C2获得的电压增量为

欲使0～11V之间有6个阶梯，∆U c2应该1.8V。取

R2＝100KΩ，|Uon1|＝11.6V。

3 、迟滞电压比较器的设计

值得注意的是，该电压比较器的参考电压加在反相输入端，在同相输入端加输入信号。根据要求，在一个周期中有6个阶梯，输出电压可以从0V到11V，则上下门限电压可以设

为Uth＋＝11V，Uth－＝0V。参考电压可以用10k

Ω电位器调节，或用固定电阻分压。为方便电路调

节，Rf3可以是一50kΩ左右固定电阻加上一个22k

Ω电位器。为了使阶梯返回时间小于一个台阶，R3

应小于R2，可以取R3为10kΩ。

4 、电源电路

设计说明：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：

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IR=1mA。

得到电阻方程组：

解方程组得：R1=500Ω、R2=1.5KΩ、W=3KΩ。为了

保证最大输出为15V，整流输出UoI≥15+3=18V，取

滤波电路输出电压UoI=1.1UEF，则变压器次级输出电

压有效值UEF=UOI/1.1=18/1.1=16.4V，考虑到市电

220V有10%的波动，则UEF≥16.4/0.9=18.2V

5 、总体电路图

所实现功能说明

基本功能：在运放U4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U3的输出端可输出阶梯波

阶数为6，频率为553.69Hz，峰峰值为4.5V，皆符合要求。

故障及问题分析

第一次连电路时无输出波形。经检查发现面包板上下两公共端未连通。

第二次测试时波形不符合要求，通过调整四个电位器，使波形符合要求。

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：

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。

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。

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。

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。总结和结论

通过本次实验，我对运算放大器和电位器有了更深入的了解，熟练掌握了面包板连电路的技巧，熟悉了电路实验的操作步骤。我明白了面包板电路一定要连得整洁美观，不能急功近利，那样很可能得不到正确的波形。我还学会了使用Protel绘制原理图和PCB板。提高了