阶梯波发生器的设计与实现

1电子电路综合实验设计实验名称：阶梯波发生器的设计与实现学院：班级：学号：班内序号：姓名：2实验报告大纲一、实验课题二、实验内容摘要及关键词1.实验内容摘要2.实验关键词三、实验设计任务要求1.基本要求2.提高要求3.探究环节四、设计思路、总体结构框图1.设计思路及总体结构框图2.元器件资料五、分块电路和总体电路的设计过程六、所实现的功能说明（1）已完成的基本功能和扩展功能；（2）主要测试数据；（3）必要的测试方法等。七、故障及问题分析八、总结和结论九、PROTEL绘制的原理图（SCH）及印制电路板（PCB）十、实验所用元器件及测试仪表清单十一、参考文献3一、实验课题阶梯波发生器的设计与实现二、实验内容摘要及关键词1.实验内容摘要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。阶梯波的应用十分广泛，本实验中就利用阶梯波来观测三极管的输出特性曲线。阶梯波发生器还有多种设计方案，本实验将就其中一种进行研究。2.实验关键词阶梯波、迟滞电压比较器、积分器、窄脉冲发生器、控制门三．实验设计任务及要求1.基本要求：1）利用所给元器件设计一个阶梯波发生器，500,3oppfHzUV，阶数6N；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。4四、设计思路、总体结构框图1．设计思路及总体结构框图总体结构框图：本实验中阶梯波发生器电路是由方波-三角波发生器与迟滞电压比较器构成。图1中，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，积分器进入正开始U4同相输入端输入正参考电压二极管D1导通U3对负脉冲积分U3输出电压上升U4输出负脉冲二极管D1截止U3输入电位不变U3输出电压不变形成一个台阶U3正电压积分，输出电位下降U1的同相输入端电位高于参考电压D2截止D2导通N5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输出才恢复低电位，D2截止，完成一个周期。2.元器件资料本实验中用到了三个UA741芯片，通过查找资料了解UA741的主要参数，管脚设置等。五、分块电路和总体电路的设计（1）电源电路的设计本实验需要的是+12V的直流稳压电源。具体电源电路包括整流，滤波，稳压等部分，具体的设计如下。6（2）窄脉冲发生器的设计'(1)TNT1'111112ln[1]()pmfmRRUTRCRUU1'211112ln[1]()pmfmRRUTRCRUU2111'11222114()ln[1]()ppfmfmRRRRUTRCRUUT为阶梯波周期，'T为脉冲波周期，N为阶梯数；'1T高电平持续时7间；'2T低电平持续时间。由实验要求：N=6，500,3oppfHzUV，带入以上公式，计算可得T≦2ms，故取T=2ms；则'T=0.29ms；取mU=11V，则1100Rk，10.01CF。mU是窄脉冲电压幅度，此电路中可由电源电压决定。1RU取6V左右即可，为简化设计'1T和'2T的计算公式中，对数部分我们可以设为1，取1100Rk，根据已知的频率f可计算电容的值。窄脉冲的宽度'2T可用220k电位器来调节。（3）积分器的设计当放大电路满足深度负反馈条件时，由虚开路和虚短路特性知，电容两端的电压为输出电压，则输出电压的表达式为：dttuRCdtRtuCdttiCtuiif1)(110显然，输出电压与输入电压是积分关系。当已知输出电压在1t时刻的值时，输出电压表达式可以为：10011tutdtuRCtutti为满足500,3oppfHzUV，且阶梯数6N，由以上公式计算可得0.01CF,2100Rk。（4）迟滞比较器的设计比较器的反相输入端通过电阻3wR加有参考电压，与基本的单项比较器相8比，迟滞比较器通过3fR引入了电压反馈。根据实验要求，阶梯波一个周期中有6个阶梯，则将上下门限电压设为12,0ththUVUV。输出电压变化在6V以上，则参考电压用10k电位调节器3wR，3fR取50k,3pR为一个22k电位调节器。并且，为了控制阶梯波返回时，返回时间小于一个台阶的产生时间，则还应取3R小于2R，故取3R为10k。（5）综合上面总体电路设计如下图所示六、所实现功能说明1.已完成的基本功能9在面包板上连接电路，并用示波器观测所需的波形。实际搭建的面包板如下图所示：（1）窄波脉冲发生器的仿真波形：10（2）积分器的仿真波形：（3）迟滞比较器的仿真波形：刚连接好电路后，并不能观测到阶梯波，这时需要调节四个电位器来获取符合条件的波形。经实验发现四个电位器主要作用各不相同，现总结如下：1fR:主要用于调节窄脉冲的占空比，阶梯波的阶梯数和频率，而且不影响阶梯波的幅度。1pR:主要用于调节窄脉冲发生器所产生脉冲的占空比，阶梯波的频率。113wR:用于调节阶梯波的幅度的大小。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。3pR:作用与3wR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。结合调节各电位，直至得到所需要的输出波形。记录各波形特点，并在坐标纸上画出相应的波形。当示波器探头接U4的输出端时，可以在示波器上观测到窄脉冲信号的波形；当示波器探头接U3的输出端时，可以观测到阶梯波；在示波器探头接U1的输出端时，可以观测到迟滞比较器的输出波形。2.主要测试数据：ƒ=531.91Hz,T=1.88ms,T’=1.88ms,T1’=0.23ms,T2’=0.052ms3.必要的测试方法：用labview对实验做仿真，仿真电路图如下：4.扩展功能的实现：（1）提高要求：利用阶梯波测试PNP型三极管3共发射极组态下的输出特性曲线。将三极管的基极与阶梯波发生器的输出端相连接，并将三极管的发射极经电12阻接地，集电极接入方波信号。双踪示波器选择X-Y方式，X输入的探头接三极管的集电极，Y输入的探头接三极管的发射极（由于射极电流约等于集电极电流，而射极电阻固定，可通过测其电压来说明两者关系），接通电源后，调整示波器，观察输出。（2）探索要求：探索其他阶梯波发生器的设计方案，并通过仿真对结果加以证明；通过图书馆，网络等途径，发现一个负阶梯波发生器的设计电路，其设计思路是：为了设计一个负阶梯波发生器，首先产生一个方波，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，再通过积分电路，实现累加而输出一个负阶梯。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，积分器就起到了积分和累加的作用。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，其原理图如下所示：电路图为13输出波形为：七、故障及问题分析（1）在连接好面包板后，连接好示波器及电源后，在示波器上看不到与仿真结果相近的波形，并且干扰很大，波形很难稳定，触发电平指示灯不亮。解决办法：面包板接好后，并没有检查就接入了电源及示波器，所以在遇到上述问题时，我仔细检查了面包板上的连线，结果发现+12V,-12V及地的接入均有问题，在仔细分析了教材上的电路图后，我开始重新连线。14（2）在修改电路的连线后，连接好示波器和电源后，在示波器上输出的波形是一条直线。解决方法:通过调节电位器，观察是否有阶梯波出现。如果调节很长时间仍没有发现有阶梯波出现。可以把电位器Rf1左右管脚交换位置，因为Rf1为220k电位器，旋转旋钮改变幅度较小，可能长时间达不到需要阻值。（3）在修改电路的连线后，连接好示波器和电源后，在示波器上有波形出现，触发电平指示灯也亮了，但是输出波形不是上升台阶而是下降的。解决方法：通过检查电路，发现由于原器件使用已久，二极管的正负标注已经模糊，接入电路时并没有检查其极性。用万用表的电阻档对二极管进行测量，发现实验所用的两个二极管均接反。改变二极管的连接后，输出波形与仿真结果相近，说明电路已经没有问题了，只需调节电位器来获得符合题目要求的波形即可。八、实验总结和结论实验的过程不可能是一帆风顺的.从一开始研究电路图的接法,到最后调试波形,可谓是经历了重重困难.但是通过解决这些问题,我的实验能力得到了很大的提高.当实验没有正确输出结果时,首先应该检查电路的连接是否有问题,其次再考虑是不是仪器的问题.做实验一定要有耐心,特别是在插了多次面包板的时候,一定要相信实验一定会成功.通过此次实验,我了解了阶梯波的工作原理,对迟滞电压比较器和窄脉冲发生器的工作原理也有了更进一步的了解.九、PROTEL绘制的原理图（SCH）及印制电路板（PCB）1.SCH图2.PCB图15三维PCB板正面：三维PCB板背面：16十、实验所用元器件及测试仪表清单元器件名称型号数目用途运算放大器UA7413用于构建脉冲发生器，积分器，比较器等二极管1N41482利用导通特性，控制波形电位器200k,22k,10k*24调节电路特性电容0.01uf2构建积分器电阻100k,50k,10k4提供电压及反馈导线常规若干连接电路17十一、参考文献（1）《电子电路综合设计实验教程》（北京邮电大学电路中心2010年3月）（2）《EDA技术与实验》（机械工业出版社付文红花汉兵编著）（3）《Protel99SE电路原理图与PCB设计及仿真》（机械工业出版社清源科技编著）仪表名称型号用途直流稳压电源SS1793D提供直流稳压电源信号示波器DSO-X2022A显示观测波形数字万用表UT805A测量电阻，检查元器件的好坏