实验三阶梯波发生器的设计与仿真

1、实验三 阶梯波发生器的设计与仿真一 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 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20ms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。三实验步骤1）设计方波发生器，电路如图1所示，输出波形如图2所示。 图1 图22）在

2、方波发生器的输出端接电阻和电容，组成微分电路如图3所示，得到尖脉冲的波形图如图4所示 图3 图43）设计限幅电路，将负半周的尖脉冲滤除掉。利用二极管单向导通性来进行限幅，电路如图5所示，输出地单边尖脉冲如图6所示。 图5 图64） 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7所示，打开仿真开关，得到积分累加电路的波形如图8所示 图7 图85） 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器，如图9所示，电路的输出波形如图10所示 图9 图10从图10可以看出，电压的周期约为20ms，输出电压范围约1

3、0V，阶梯个数为5个，符合设计要求。5）确定影响阶梯波电压范围和周期的元器件因为振荡周期T=2R8C2ln(1+2R4/R2),所以理论上说，阶梯波的周期与R8C2成正比。对于微分电路，vo=-R7C3(dv/dt),积分电路vo=-1/R5C4vdt,所以理论上阶梯波的高度与R7C3成正比，与R5C4成反比。a. 单独改变R8的值，原来R8=71.5k,现使其增加约一倍，R8=143k,输出波形如图11所示，周期T40ms。单独改变C2的值，使其增加一倍，输出波形如入12所示，周期T40ms,从中可以看出，阶梯波的周期与方波发生器的R8C2成正比 图11 图12b. 单独改变R7的值，使其增

4、加一倍，R7=1.64k,输出波形如图13所示单独改变C3的值，使其增加一倍，C3=0.1uf,输出波形如图14所示从图可知,C3R7的增加对输出电压范围影响不大，主要影响还是使得阶梯波的高度增加 图13 图14c. 单独改变R5的值，R5=1.2k,输出波形如图15所示单独改变C4的值，C4=0.2uf,输出波形如图16所示从图可知,C4R5的增加输出电压范围影响不大，主要影响还是使得阶梯波的高度的减小 图15 图16c. 改变比较器的三个电阻值，如图17.18.19分别为改变R3=10k，R12=10k，R13=35k的值后的输出波形。从输出波形中可以看到，比较器的三个电阻R3，R12，R

5、13对周期和电压输出范围有影响，对阶梯波高度无影响。 图17 图18 图19四 实验小结 为了获得足够高的电压放大倍数，或者为了获得满足要求的输入输出电阻，实际的放大电路通常由多个基本放大电路级联而成，构成多级放大电路，在组成多级放大电路时，通常将三种基本组态的放大电路进行适当的排列组合，充分发挥各自电路的特点，从而获得多级放大电路最佳的电路性能。引入负反馈会使得电路各参数受到影响。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

6、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积分，因此，积分器就起到了积分和累加的作用。当积分器累加的比较器的比较电压时，比较器翻转，比较器输出正电压，时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。积分器输出由负值到零跳变的过程，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。影响阶梯波电压范围的元器件：R3，R12，R13影响周期的元器件：R8 C2 R4 R2影响阶梯波高度的元器件：R7，C3，R5，C4（以上均对照图9电路）结 论 这个实验是我做的EDA设计三个实验中最难的一个，一开始看着ppt上“庞大”的参考电路，我有些摸不着头绪。但当我慢慢的看书，一步一步的上手，发现其实这个电路还是很好理解的，把电路拆分了，就是我模电课上学过的各种功能电路，把各个功能配合起来，就是实验的结果。了解清楚了原理，设计起电路来就简单多了，后面只用了很少的时间就把电路完成了。可见，做好实验的关键是把原理弄懂，这样可以事半功倍。参考文献1 付文红、花汉兵 EDA技术与实验机械工业出版社 2007年2 王建新、姜萍 电子线路实践教程科学技术出版社 2003年3 郑步生、吴渭 M