阶梯波发生器的设计与仿真.doc

阶梯波发生器的设计与仿真 实验目的 掌握阶梯波发生器电路的结构特点。 掌握阶梯波发生器电路的工作原理。 学习复杂的集成运算放大电路的设计。 实验内容 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。) 对电路进行分段测试和调节，直至输出合适的阶梯波。 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。 实验过程 阶梯波发生器实验原理图（图中器件均有型号和参数值标注） 电路的工作原理。 要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。其原理框图如下图所示。 电路的分段测试波形和最终输出的阶梯波。 首先设计方波发生器电路 方波发生器输出波形如下图所示： 由以上两图可以读出方波的周期为3.145ms,幅度为10.809V。 在方波发生器的输出端接电阻R6、电容C2构成微分电路 微分电路输出的尖脉冲波形如下图所示： 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。 限幅电路输出的单边尖脉冲波形  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下图所示。 接入积分累加电路后输出的波形 设计周期阶梯波，在积分累加电路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。 输出的阶梯波形 从以上两图中可以读出周期性阶梯波的周期为18.029ms左右；电压变化范围约为10.135V。 确定调节电路中哪些元器件值可以改变阶梯波的周期或输出电压范围。 首先进行理论分析，对于各个电路的输出波形进行逐步分析。因为振荡周期，改变(R10+R13)和C1的值显然可以改变阶梯波的周期，并且阶梯波的周期与（R10+R13）C1成正比，与R1及R11的变化不成线性关系。再分析微分电路和积分电路，对于微分电路，由可知阶梯波的高度与R3C2成正比；对于积分电路，由可知阶梯波的高度与R5C3成反比。 再在理论分析的基础上变化相关器件值并观察波形的变化。 分别取(R10+R13)=28.6Kohm,C1=62nF得到如下波形图： 可以看出波形的周期随着(R10+R13)和C1的变化也在成比例的变化。 若改变R1=53.6Kohm或R1 1=48.7Kohm可得波形图如下所示： 可以看出波形的周期随R1及R11的变化而变化，但是无线性关系。 如改变R3=5.62Kohm或C2=22nF可得波形图如下： 由上图可以看出随R3和C2的变化，阶梯波的高度有明显改变，电压输出范围没有变化。 若改变R5=2.49Kohm或C3=30nF得到波形图如下所示： 由上图可知，阶梯波的高度随着R5和C3的变化也发生改变，但阶梯波的电压输出范围几乎没有变化。 根据以上的实际模拟所得波形图，初步证明理论分析的猜测是完全正确的，下面通过改变其他元器件的值来确定其对波形周期或阶梯波输出电压范围的影响。 附加说明：实际的模拟还说明，微分电路与积分电路对阶梯波的周期也有一定的影响，这是因为改变微分电路或积分电路后阶梯波的高度变化，使阶梯波的个数发生了变化，从而影响到周期。故不认为这是 改变周期的主要因素。 ①改变R2的值，若减小R2=1.47Kohm，周期变小而高度几乎不受影响；若增大R2=28.7Kohm,周期变大且高度略有降低。从而判定改变R2的值对阶梯波的周期和高度均有影响，而对电压范围影响不大。 R2=1.47Kohm； R2=28.7Kohm； ②显然改变R2和R9的值对电路并没有太大影响，实际亦是如此，故不再考虑。 ③对于比较器电路部分的三个电阻R8、R7、R12对阶梯波周期和阶梯波的输出电压范围的影响分析如下： 改变R8的值可以发现阶梯波的周期和电压输出范围均发生了变化，而阶梯高度没有明显变化。当R8变化超出一定范围会导致阶梯波无法正常显示。R8=8.66Kohm；