阶梯波发生电路的设计
新阶梯波发生器电路.
逻辑功能表
输 入 输 出
CR
LD
CTP
CTT
CP
D0
D1
D2
D3
Q0
Q1
Q2
Q3
L H H H
× L H H
× × H L
× × H ×
× ↑ ↑ ×
× d0 × ×
× d1 × ×
× d2 × ×
× d3 × ×
L d0
L d1 计 保
L d2 数 持
L
d3
H
H
×
L
×
×
×
×
×
保
持
计数器应用电路（模12）
第二节 计数器及多路模拟选通开 关
计数器74HC161介绍 引脚图 V CO Q
CC 0
Q1
13
Q2
12
Q3
11
CTT
10
LD
9
16
15
14
74LS161
1
2
3
4
5
6
7
8
CR
CPD0Biblioteka D1D2D3
CTp
GND
引出端功能符号
D0～D3 ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙并行数据输入端； Q0～Q3 ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙数据输出端； ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙异步清除输入端（低电平有效）； ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙同步并行置入控制端（低电平有效 ）； CP ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙时钟输入端（上升沿有效）； CTT,CTP ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙计数控制端； CO ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙进位输出端。
12.2阶梯波发生器电路
R7 U C 1 f = ⋅ ⋅ 2( R3 + RP1 ) R8 U 0 m
式中Uom为LM311最大输出电压，约为13V。 由上式可知，若要改变阶梯波的频率，可通过调 节压控振荡器的频率来实现。
对阶梯波幅值的要求可通过调节RP2来实现。 对阶梯波台阶的要求可通过改变74LS90的计 数状态来实现。 本例运放A1D、A1C输出电压随计数器74LS90 状态转换如表12.2.1 所示。
表12.2.1 运放U4D、U4C输出电压 随计数器74LS90状态转化表 74LS90 QD 0 0 0 0 1 QC 0 0 1 1 0 QB 0 1 0 1 0 A1D输出 A1D(V) 0 -1.25 -2.5 -3.75 -5.0 A1C输出 A1C(V) 0 2 4 6 8
电路仿真结果如图12.2.3所示。
12.2 阶梯波发生器电路
该电路产生5个台阶的阶梯波电路，电路 由电压跟随器、压控振荡器、五进制计数器、 缓冲器、反相求和电路及反相器组成，其框图 如图12.2.1所示。
12.2.原理电路如图12.2.2所示。
图12.2.2 阶梯波发生器原理电路
压控振荡器的频率
图12.2.3 5个台阶的阶梯波仿真图
利用六进制触发器的阶梯波发生器的设计与实现
利用六进制触发器的阶梯波发生器的设计与实现首先，让我们清楚地定义一下要解决的问题。
我们想设计一个利用六进制（十六进制）触发器的阶梯波发生器。
在这种情况下，我们通常指的是一种可以生成一系列电平（在这种情况下，有16个可能的电平）的电路。
这种电平逐渐上升，直到达到最大值，然后又返回最小值，形成一种阶梯波形。
在数字电路设计中，这通常是用一个计数器实现的，该计数器可以连续计数，然后在达到最大值时回到零。
对于此任务，我们可以使用集成电路（IC）如74HC193。
74HC193 是一个四位二进制可上下计数器，由四个翻转触发器和相应的控制电路组成，可以在正脉冲或负脉冲到来时进行加一或减一操作。
这是一个基本的电路设计，用于生成十六个电平的阶梯波形：1. 首先，将74HC193的四个数据输入（D0，D1，D2和D3）全部接地。
2. 然后，使用一个时钟信号（例如555计时器产生的方波）驱动74HC193的UP计数输入。
3. 当计数器计数到15（十六进制的F）时，用输出Q0至Q3来驱动一个四位到十六线优先编码器（如74HC154）。
这样，每一个计数都会产生一条选通线（Y0到Y15）。
4. 然后，将这些选通线连接到一个电阻分压器网络，以生成不同的电平。
例如，可以将电阻与VCC和地线之间连接，然后在每个连接点取电压。
这样，每次选通线激活时，都会在输出端得到不同的电压。
5. 这个电压就是你的阶梯波形。
当计数器达到最大计数值（十六进制的F）时，它将自动复位为0，并开始新的计数周期，从而生成一个重复的阶梯波形。
请注意，此设计仅是一种可能的实现方式。
具体的电路设计可能会根据你的具体需求而有所不同，包括所需的电压范围、阶梯的数量、步进速度等因素。
根据你的需求，我会假设你可能需要一些具体的步骤来创建这个电路。
下面是一些详细步骤：1. 获取所需的组件: 你需要一块面包板，一片74HC193 IC，一个555计时器IC，一片74HC154 IC，各种电阻器，一些跳线，一个电源和一个示波器或多用表以检查输出。
阶梯波发生器电路
状态转换如表12.2.1 所示。
表12.2.1 运放U4D、U4C输出电压 随计数器74LS90状态转化表
74LS90 QD QC QB 000 001 010 011 100
A1D输出 A1C输出
A1D(V) A1C(V)
0
0
-1.25
2
-2.5
4
-3பைடு நூலகம்75
6
-5.0
8
电路仿真结果如图12.2.3所示。
2(R3 RP1 ) R8 U 0m
式中Uom为LM311最大输出电压，约为13V。 由上式可知，若要改变阶梯波的频率，可通过调 节压控振荡器的频率来实现。
❖ 对阶梯波幅值的要求可通过调节RP2来实现。 ❖ 对阶梯波台阶的要求可通过改变74LS90的计
数状态来实现。 ❖ 本例运放A1D、A1C输出电压随计数器74LS90
❖ 该电路产生5个台阶的阶梯波电路，电路 由电压跟随器、压控振荡器、五进制计数器、 缓冲器、反相求和电路及反相器组成，其框图 如图12.2.1所示。
12.2.1 阶梯波发生器电路框图
阶梯波发生器原理电路如图12.2.2所示。
图12.2.2 阶梯波发生器原理电路
❖ 压控振荡器的频率
f
1
R7 U C
阶梯波发生器设计
阶梯波发生器设计1.实验目的综合运用模拟电子电路的知识，采用集成运算放大器等电子器件设计一个阶梯波发生器。
2.总体设计方案或技术路线阶梯波可以分成两种类型，一种是没有上升沿（或者下降沿）的，而另一种则是有的。
对于这两种不同的波形，要采用不同的方法得到。
有倾斜上升沿的阶梯波可以看成是由方波积分得到的，其中，需要仅对方波的正向电压或者是负向电压积分，因而需要在两个电路中间加一个二极管。
没有明显上升沿的阶梯波，不能简单地用方波积分，因而，需要对原电路进行改进。
具体做法是在方波发生器后加一个微分电路，但因为方波跃变时，微分为无穷大，因而需要再加一个限幅电路。
对于积分后的阶梯波形，由于其始终处于上升或者下降状态，因此需要在后面加上比较器，保证电压达到一定值时，翻转电压。
本实验产生的是前一种阶梯波，由矩形波积分得到。
3.实验电路图4. 仪器设备名称、型号Agilent DSO5032型数字示波器Agilent U1252A型数字万用表DF1731SB3AD三路直流稳压源5.理论分析或仿真分析结果在multisim中仿真，观测出输出波形如图：当滑动变阻器滑到中间时，测量得上限门电位4.529V，下限门电位4.593V，两电位间的阶梯个数为5，产生的矩形波周期为1.166ms。
理论上，矩形波发生器在R6置于中间处时，输出波形的周期T=2×100KΩ×5.1nF×ln（1+2）=1.1206ms，与仿真结果1.166ms接近，其相对误差为4.1%。
6.详细实验步骤及实验结果数据记录（包括各仪器、仪表量程及内阻的记录）1、检查实验元件2、按照图示搭建电路;打开直流电源，用万用表检测输出电压，达到±12V时给运算放大器上电。
3、打开示波器，并接到方波发生电路的输出端，检测输出波形、幅值、周期，记录图形V pp=14.5V，T=1.1782ms，f=847.9Hz，与理论值T0=1.1206ms相差不大4、用示波器观察二极管后的波形，并与前矩形波比较，记录图形此波形上下并不对称，可以看成是一有直流偏移的矩形波，产生原因是D1二极管正负压降不同，但V pp=14.3V，T=1.1782ms均与上图波形一致。
哈工大模电自主设计实验——阶梯波发生电路的设计与分析
姓名 班级 学号 实验日期 节次 教师签字 成绩阶梯波发生电路的设计与分析1.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、学习如何用Multisim 进行电路仿真。
4、学习复杂的集成运算放大器电路的设计。
2.总体设计方案或技术路线1、要设计阶梯波发生电路，首先要设计一个方波发生电路，然后通过微分电路，会得到上下均有尖脉冲的波形。
这时要只取上面的尖脉冲，就需通过限幅电路滤除下半部分的波形。
当这些脉冲经过积分运算电路时，一个尖脉冲累加为一个固定的值，在没有尖脉冲时，积分器保持输出不变。
下一个脉冲到来时又会增加同样的一个值，于是输出形成了阶梯波形。
2、改变电路元件的参数值，探究其于输出的阶梯波各项指标的关系。
3.实验电路图U1UA741CP3247651VEE-15.0VVCC 15.0VRf 100kΩR42kΩC147nFXSC1ABExt Trig++__+_R130kΩR210kΩD112VD212VC247nFR310kΩR510kΩR610kΩU2UA741CP3247651C347nFD31N4148D41N4148图1阶梯波发生电路4. 仪器设备名称、型号1、运算放大器μA741 2个2、二极管若干3、电阻，电容若干4、导线若干5、数字万用表6、可编程线性直流稳压电源7、Agilent DSO-X2002A 型示波器8、电子技术试验箱9、集成运算放大器应用子板5.理论分析或仿真分析结果1、方波发生电路设计方波发生电路由滞回比较器和RC 电路构成。
滞回比较器引入正反馈，产生振荡，使输出电压仅有高低电平两种状态，且自动相互转换。
RC 电路起延时作用和反馈作用，使电路的输出电压按一定时间间隔在高低电平之间交替变化，形成方波。
电路如图2所示，从图3所示的示波器中可读出方波的周期为4.017ms 。
U1UA741CP3247651VEE-15.0VVCC15.0VRf 100kΩR42kΩC147nFXSC1A BExt Trig++__+_R130kΩR210kΩD112VD212V图2方波发生电路图3方波波形2、微分电路设计在上图所示的方波发生电路的输出端接电阻3R 和电容2C 即可组成图4所示的微分电路，原理与运放组成的微分运算电路相同，这里不再叙述。
实验四——阶梯波电路
阶梯波发生电路的设计一．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．试验设计原理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，再经过几分电路，实现累加二输出一个负阶梯。
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，积分器就起到了几分累加的作用。
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，完成一次阶梯波的输出。
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：原理框图阶梯波发生电路原理图三．实验要求和实验步骤1.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。
)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。
2.试验步骤1）首先设计一个方波发生器，设计电路原理图如下图所示：方波发生电路的原理图双击上图示波器得到方波发生器的输出波形如图所示：方波发生器输出波形从上图可看出方波的周期为3.103ms，幅度为10.813V，上图中锯齿波是从C1断输出得曲线。
2）在方波发生器的输出端接电阻R3和电容C2就组成了微分电路如下图所示：方波发生+微波电路原理图双击上图示波器得到输出波形为双边脉冲波形如图所示：由微分电路输出的双边脉冲波形3）设计限幅电路，将负半周的尖脉冲滤除掉。
阶梯波发生器的设计与实现
阶梯波发生器的设计与实现摘要:阶梯波是一种具有离散取值特性的波形，本次试验主要使用三个集成运算放大器，分别作为迟滞电压比较器、窄脉冲发生器以及积分器，并利用二极管的单向导电性，来实现阶梯波的产生。
其中，积分器与窄脉冲发生器用于阶梯波的产生,迟滞电压比较器用于控制阶梯波的周期,并可以通过调节电阻的大小控制阶梯波的台阶数与频率。
关键词：阶梯波、集成运算放大器、二极管一、设计目的：1、通过实验进一步掌握集成运放和电压比较器的应用。
2、进一步工程设计和实践动手能力，建立系统概念。
二、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。
三、设计思路：窄脉冲发生器U4和积分器U3组成方波三角波发生器，并与阶梯形成控制门二极管D1一起起到产生阶梯波的作用。
在U4的同相输入端输入一个正参考电压，则U4输出为负脉冲，在负脉冲持续的短时间，阶梯形成控制门二极管二极管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，则D1截止，积分器输入输出电位保持不变，则形成一个台阶。
U1构成迟滞电压比较器用于控制周期，以控制累加的台阶数。
台阶级数较少的时候，U1的同相输入端电压比反相输入端的参考电压低，则U1输出低电平，阶梯返回控制门二极管D2截止，台阶持续累加。
随着输入台阶的增加，即输入电压增加，某一时刻比较器输出高电平，D2导通，积分器U3开始正电压积分，则U3的输出电位降低，至U3输出的电压低于迟滞电压比较器的门限电压时，U1恢复输出低电平使D2截止，至此完成阶梯波的一个周期。
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阶梯波发生电路的设计
实验三阶梯波发生电路的设计
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器电路的设计。
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。
) 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、实验原理
1、阶梯波发生器原理
要设计阶梯波发生电路，首先要设计好方波发生电路，然后通过微分电路，这是会得
到上下均有尖脉冲的波形。
这是要只取上面的尖脉冲，就需通过限幅电路滤除下半部分的
波形。
当这些脉冲经过积分累加电路时，一个尖脉冲累加为一个固定的值，下一个脉冲到
来时又会增加同样的一个值，于是输出形成了阶梯波形。
当累加结果没有超过比较器的阈
值时，会一直累加下去。
而达到门限后，比较器输出电压翻转，输出正电压使振荡控制电
路工作，使方波停振，同时积分电容对地短路放电，电容器恢复起始状态累加结束。
而在
电容放电之后，积分器输出由负值向零跳变，使比较器又一次翻转，振荡电路不能工作，
比较器输出变为负
阶梯波发生原理框图
2、实验原理图
阶梯波原理图
四、实验过程 1、电路设计
（1）方波发生电路设计
设计电路如图3.03所示，从图3.04所示的示波器中可读出方波的周期为3.774ms。
方波发生电路
方波波形
（2）微分电路设计
在上图所示的方波发生电路的输出端接电阻R3和电容C2即可组成下图所示的微分电路，示波器所得的输出波形见下下图的尖脉冲波形。
方波发生电路+微分电路
方波微分后波形
（3）限幅电路设计
限幅电路的作用是将负半周期的尖脉冲滤除掉。
可利用二极管的单向导电性来进行限幅，电路如图所示。
示波器显示的单边尖脉冲如图所示。
方波发生电路+微分电路+限幅电路
单侧脉冲波形
（4）积分累加电路设计
用集成运放组成的积分电路实现积分累加，在上图所示电路的基础上连接积分累加电
路如下图所示，打开仿真开关，可以得到积分累加的输出波形如下下图所示。
方波发生电路+微分电路+限幅电路+积分累加电路
阶梯波形
（5）周期阶梯波电路设计
在上图的基础上家上电压比较器和开关控制器以及快速放电电路，就组成了完整的阶
梯波发生电路，如第二幅图所示，输出波形如下图。
从中可以读周期性阶梯的周期为
18.00ms左右，电压变化范围为10V，阶梯个数为5个。
阶梯波波形
2、改变元件参数确定其作用（1）只影响周期的量
首先当成倍改变Rf或C1的值时，周期T的值也成相同的倍数改变。
若改变R2或R1
的值，周期T也会改变，但均不是线性关系。
实际上，振荡周期。
下面保持其他部分不变，令，即扩大两倍时，波形如下图所示，周期
T=7.440ms，约莫扩大两倍，而电压变化范围和阶梯高度不变化。
保持其余不变，令，即扩大两倍，则周期T=6.160ms，波形如图所示，并非一般线性关系，电压变
化范围和阶梯高度也保持不变。
，其余不变
R2=，其余不变
（2）只影响阶梯高度的量 1>微分电路对波形高度影响
同样C2的值也会影响阶梯高度，具体关系见下表。
由表可知，当其余值保持不变，
仅改变C2的值，则阶梯高度与之成正比。
改变C2，其余值不变
R3的值对阶梯高度也有影响，见下表。
可以看出，阶梯高度与R3并没有明显的正比
关系，
改变R3的值，其余不变
2>积分电路对波形高度影响
改变C3的值会改变阶梯的高度，具体关系见下表3.01 (电容换成虚拟元件进行测试)。
由表
可知，当其余值保持不变，仅改变C3的值，则阶梯的高度与之成反比。
改变
C3，其余不变
改变R6的值也会改变阶梯的高度，理论上，根据积分电路的原理，改变电路中的
R6C3可以改变阶梯波的每个阶梯的高度。
R6C3与阶梯波的每个阶梯的高度成反比。
但实
验测得的具体关系如下表(电阻换成虚拟元件进行测试)。
改变R6，其余不变
③总结
可见，影响阶梯高度的主要是R3、C2、R6和C3。
根据微分器积分器原理，理论上，
阶梯高度与
成正比关系。
实际上，根据实验所测，对于电容关系正确，但对于电阻关系
并不能准确刻画。
其实这样的正比关系是忽略了中间的单向限幅电路的影响，对于本
实验的阶梯波电路影响输出波形的主要是电容元件。
（3）同时影响周期和幅度的量
①改变R8的值，阶梯波电压范围和周期都会改变，而阶梯高度基本不变。
若增大R8
的值，则阶梯波电压范围和周期均变小。
，其余不变
②改变R10的值，阶梯高度基本不变，但阶梯波电压变化范围变化，周期也会变化，
增大R10时，阶梯波电压变化范围变大，周期变大。
，其余不变
③改变R7时，电压范围和周期也会变化，阶梯高度不变。
减小R9时，电压范围和周
期均变小。
这里不再图示。
注：当减小R8或增加R10到一定值时，后来会成一条直线。
而增加R7到某一
值时，也不会正常显示阶梯波。
（4）同时改变周期和高度的量
①改变R4的值，波形也会发生变化。
当增大R4时，阶梯高度变小，周期变大，但电
压变化范围基本不变。
当，即扩大5倍时，波形如下图所示。
，其余不变
②在一定范围内（当接近15V时没有影响，运放饱和有关）改变D1和D2的击穿电压时，电压范围即幅度基本不变，而周期和阶梯高度会随之变化，对应关系见表3.03。
周期大致与
稳压值改变，其余不变
五、实验感想
阶梯波电路设计中关于毛刺的处理，一般是如何消去，我引入了一个电容来延时使毛
刺变成有效电平，但同时又产生了电路有-10V到0V的瞬变的延时充电的副作用，所以又
在原电路的基础上加入一个放电回路选择控制开关，以弥补抵消延时副作用，从而实现了
选择性延时的功能，而且绝对无毛刺，（对于毛刺的产生，均可以通过调节延时电容来消去，也可以控制电平的多少以及阶梯的个数的微调），原理都是课上讲过的，了解了原理，这个设计也就不难了，这次实验系统疏通了模电的知识，锻炼了实验动手能力，使理论联
系实际，为以后学以致用打下了部分基础。