北邮模电综合实验报告 (修复的)

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

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实验6 阶梯波发生器的设计与实现

一. 摘要

阶梯波是一种特殊波形，在一些电子设备及仪表中用处极大。本实验电路是由窄脉冲-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，加以改进组合，设计成了阶梯波发生器。实验用两个二极管作为控制门，一个是阶梯波形成控制门，另一个是阶梯波返回控制门，控制阶梯波的周期。调节相应电位器的阻值就能改变阶梯数、阶梯幅值和阶梯周期。

关键字:阶梯波方波发生器迟滞电压比较器积分器

二. 实验任务及设计要求

1、 基本要求：

1） 利用所给元器件设计一个阶梯波发生器，500,3opp f Hz U V ≥≥，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的三极管的输出特性曲线束。 3、 探究环节：

能否提供其他阶梯波发生器的设计方案？如果能提供，请通过仿真或实验对结果加以证明；

三. 设计思路及结构框图

1. 设计思路

仔细阅读试验原理及要求

分块设计阶梯波发生器

窄带脉冲发生器积分器迟滞比较器

计算电阻电容等器件参数

计算机仿真

若波形不符合则重新计算参数

在电路板上搭建电路

认真检查连接保证正确

实验室实际调试

2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，U2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U2的同相输入端加入一个正参考电压，U2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

输出才恢复低电位，D2截止，完成一个周期。

3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。

.4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。

（2）窄脉冲发生器的设计

'(1)T N T =+

1'1

11112ln[1]()

p m f m R R U T R C R U U =+

-

1'211112ln[1]

()

p m

f m R R U T R C R U U =+

+

2

111'

1122211

4()ln[1]()

p p f m

f m R R R R U T R C R U U +=+

-

T 为阶梯波周期，'T 为脉冲波周期，N 为阶梯数；'1T 高电平持续时间；'2T 低电平持

续时间。由实验要求：N =6，500,3opp f Hz U V ≥≥，带入以上公式，计算可得T ≦2ms ，故取T =2ms ；则'

T =0.29ms ；取m U =11V ，则1100R k =Ω，10.01C F μ=。m U 是窄脉冲电压幅度，此电路中可由电源电压决定。1R U 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1100R k =Ω，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 Ω电位器来调节。

仿真波形如下图所示

（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：

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：

()()()???-=-=-=dt

t u RC dt R t u C dt t i C t u i i f 1)(110()()()

1

01

1t u t d t u RC

t u t

t i

+-

=?

为满足500,3opp f Hz U V ≥≥，且阶梯数6N =，由以上公式计算可得0.01C F μ=,

2100R k =Ω。

仿真波形如下图所示。

（4）迟滞比较器的设计

比较器的反相输入端通过电阻3w R 加有参考电压，与基本的单项比较器相

比，迟滞比较器通过3f R 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12,0th th U V U V +

-

==。输出电压

变化在6V 以上，则参考电压用10k Ω电位调节器3w R ，3f R 取50k Ω,3p R 为一个22k Ω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 Ω。

仿真波形如下图所示：

四、功能实现及扩展 1基本要求：

该电路是一个周期、幅度可调的阶梯波发生器，周期、幅度的调节主要通过电路正的电位器来实现;现将电路中各个电位器的作用说明如下:

3(22)P R K Ω:该电位器用来调节阶梯波的幅度大小;

1(220)f R K Ω:该电位器用来调节阶梯波的阶梯数。而在调节的同时，不会改变阶梯波的幅

度

3(10)w R K :该电位器用来调节阶梯波的周期，而在调节的同时，不会改变阶梯波的幅度

鉴于各个电位器的功能，在给定的情况下，可以先通过调节3P R 调节阶梯波的幅度，在幅度达到要求的的情况下，再通过调节1f R 、3w R 使周期和阶梯数达到要求即可。

以下是仿真波形图，可以看到产生了实验要求的阶梯波:

实际实验中的波形截图及相关分析:

Pspice 阶梯波仿真图

右图为阶梯波发生器的波形图，从图中可以看到峰峰值已超过了6V ，频率达到了667Hz ，阶数N 为6阶

右图为阶梯波发生器的波形图，从图中可以看到峰峰值已超过了6V ，频率达到了667Hz ，阶数N 为6阶

右图为调整电位器

3(22)P R K Ω时输出的波形,

明显观察到幅度增大,频率略有增加,

实现幅度可调的

右图为调整电位器

1(220)f R K Ω时输出的波

形,明显观察到阶梯数N 减小到2,频率增加到800Hz,

2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。

3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；

右图为调整电位器

3(10)w R K 时输出的波形,

明显观察到周期减小,阶梯数N 也随周期的减小而减小到3,频率增加到800Hz,

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

输出波形为

五. 故障及问题分析

1.遇到的问题

1.问题一:从阶梯波发生器输出波形可以看出，在阶梯波的上升处并不是严格的上升，而是斜着上升，考虑到这种情况可能是有运算放大器本身的特性造成，但不清楚具体是那个运算

放大器产生了失真;理论上可以通过调节电位器

1(220)

f

R KΩ来消除，但在实际实验中所用的电位器是220KΩ的，调节范围比较大导致调节精确度比较低，，而且在调节的比较小时，导致电路不稳定，故提出以下三种验证方案:

2.实验改进

(1)只将运算放大器U1由LM741换成LM318，而电路的其它部分保持不变，观测波形;

(2)只将运算放大器U3由LM741换成LM318，而电路的其它部分保持不变，观测波形;

(3)只将运算放大器U1由LM741换成LM318，而电路的其它部分保持不变，观测波形;

考虑到运算放大器LM318容易引起自激，所以在换成LM318之后，应该在运算放大器的4，7端各对地并接一只电容来消除自激

通过反复的实验与调测，(3)方案得到了很好的改善。

究其原因，当运算放大器1用LM741时，产生的锯齿波上升沿和下降沿已有明显的失真，直接导致反相积分器的输出产生失真，当运算放大器1用LM318和LM741时，输出的锯齿波有明显差异

2.问题二:搭好电路板后，将输出波形介入示波器，没有阶梯波显示，经检查，发现搭电路

的时候，因为电路比较复杂，我没有仔细检查，导致有些元件因为插错了面包板

的洞而没有连接上，或者产生连接错误

解决方法:对照电路图仔细检查了一遍，改正了链接错误，并合理布线，阶梯波就出现了

3.问题三:在进行三极管输出特性测试电路的拓展实验时，在示波器观测到基极电流为不同

值时三极管的输出特性曲线束的波形很不稳定。

分析及解决:原因是扫描频率和阶梯波的频率没有完全一致，通过调节电位器改变频率，并且在示波器上将二者频率尽量对比协调一致，使输出特性曲线束的波形较为

稳定

六. 总结和结论

1.实验总结:本次试验是综合设计性实验，要求我们将以前学过的知识都综合运用起来，融

会贯通，设计出具有一定综合功能的电路。我们用过思考、设计和实践，对脉

冲波发生器、迟滞电压比较器、积分器的工作原理的理解有了进一步的了解和

掌握，对Protel DXP软件的使用有了初步的认识，同时也增加了对模拟电子电

路实验的兴趣，真正做到了学以致用。

2.实验结论:此次试验比较复杂，要求我们有耐心，并且善于寻找和改正错误，使我分析和

解决问题的能力得到了很大的提高;此外，本次试验还增强了我们的动手能力，

尽自己所能将电路板搭建得简单漂亮。

3.心得体会:

为期一年的模电实验课已经到了尾声，回首过去的一年，我付出了不少，也收获了不少。

在上大学之前的实验课，总是我最期盼的，因为不用写预习报告，实验课上老师也不会要求同学必须得测出准确的数据，只是自己随便做，做不出来时老师会给演示一遍，然后再自己做，即使没有做出来也没关系，可以看看别人的实验结果，承认一个结论就可以了。而大学中的实验完全不是这么回事，上课之前必须做好预习工作，复习与实验有关的理论知识，设计好实验电路、电路参数、实验步骤、提前搭好电路、认真写好实验报告，然后就是在实验的过程中，完全靠自己来做，我们实验的目的已经不再是以前的看看结论就行，而是必须测出准确的数据，做好记录，画出观察到的波形，在实验之后对实验中的数据做好仔细的分析，得出正确的结论，而且要对实验中遇到的问题做出正确的分析，写出实验心得体会。确实，大学中的实验和以前的实验相比是截然不同的，大学的实验把主动权交到了学生手里。

回头想想，通过这么长时间的实验，我学会了模电是实验中的一些基本元件，例如面包板、示波器、万用表、晶体管毫伏表、函数信号发生器的使用方法，学会了模电实验中一些实验方法，还有常用元器件如电阻、电容、电感的标称值读数。

作为工科学生，掌握这些东西是必须的，但是我觉得，通过对模电实验课的学习，我得益最大的是学会了一种学习方法，一种对待知识的态度，一种面对问题时钻研的精神。

首先，一年的预习报告让我学会了课前预习的良好学习习惯，以前上课从来不预习，认为课堂上老师讲的时候认真听就行了，但这样难免有时跟不上老师的思路，尤其是在大学里，老师讲一节课讲的东西特别多，当然也就讲的特别快，有时候有的地方没听明白，也不能停下来想，因为这样又会耽误后面的听课。在通过一段时间的预习之后，我发现，我的听课效率得到了很大的提高，因为在课前预习时，简单的东西我都看懂，而且都记住了，这样在听课时就可以将重点放在难点重点上了，课后也就少了自己再捧着书理解的过程，自然节省了时间，学习效率大大提高。

在实验的过程中，必须特别严谨，尤其是在模电实验中，可能读数的一点点误差都会很难得出正确的实验结论，所以在模电实验中，我们必须认真对待实验的每一个步骤，来不得半点马虎，而这种精神不仅是在实验中，在我们以后的工作中都是很重要的。

再次，实验也培养了我们敢于探索的精神以及对知识的渴求，实验中当实验结果有问题时，应该敢于分析问题出现的可能原因，并对它们作出改进，比如在这次实验中，当运算放大器用LM318时，波形出现了失真，当试着把LM318换成LM741时，波形就得到了大大的改进，并且通过设计三个方案，找出了产生问题的具体原因。这种精神对我来说确实是一个很大的收获。

七. PROTEL绘制的原理图

电路原理原理图PCB板电路图

In 3D View

只显示布线图

底面布线图

三维立体视图

细节展示