数字电路课程设计阶梯波信号发生器
阶梯波发生器
目录任务书 (1)前言 (3)一. 方案论证 (4)1.1 提出方案 (4)1.2 方案论证 (4)二. 基本原理 (5)三．具体电路设计 (5)3.1 电源电路部分 (6)3.2 压控振荡器 (6)3.3 计数器 (8)3.4 数模转换电路 (9)3.5 反相器 (11)四．实验装调及过程及参数分析 (13)五．实验结论及误差分析 (14)六．心得体会 (17)七．附录 (17)7.1 元器件清单 (18)7.2 器件管脚图 (18)八．总体电路图 (19)前言“电子技术课程设计”是电子技术课程的实践性环节。
是在我们学习了《模拟电子技术基础》和《数字电子技术基础》等课程的基础上进行的综合性训练，我们组这次训练的课题是“压控阶梯波发生器的设计与制作”。
此次课程设计的课题是针对我们学习《模拟电子技术基础》和《数字电子技术基础》这两门课程的基础上，并在其辅助下完成的。
此次进行的综合性训练，不仅培养了我如何合理运用课本中所学到的理论知识与实践紧密结合，独立解决实际问题的能力。
通过此次“电子技术课程设计”我们应达到以下的基本要求：首先，综合运用电子技术课程中所学到的理论知识来独立完成此次设计课题，培养我们查阅手册和文献资料的良好习惯，以及培养我们独立分析和解决实际问题的能力。
其次，在学习了理论知识的基础上进一步熟悉常用电子器件的类型和特征，并掌握合理选用的原则。
再次，就是学会电子电路的安装与调试技能，以及与同组的组员的团结合作的精神。
最后，为了满足学生对电工、电子技术课程的实践需求，学校特地给我们提供了为期四周的课程设计时间，这门课程将电子技术基础理论与实际操作有机地联系起来，意在加深我们对所学理论课程的理解。
通过让我们运用已基本掌握的具有不同功能的单元电路的设计、安装和调试方法，在单元电路设计的基础上，设计出具有各种不同用途的电子装置。
深化所学理论知识，培养综合运用能力，增强独立分析与解决问题的能力。
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。
阶梯波信号发生器(6阶梯)
目录第一章：绪论1.1 设计题目1.2 设计要求1.3 题目分析及构思第二章：总体设计与实践2.1 总体方框图2.2 电路原理分析第三章：测试及其分析3.1 定性说明和定量计算3.2 仿真第四章：程序设计历程4.1 仿真实现过程中遇到的问题及排除措施4.2 设计心得体会附录：参考文献第一章 绪论1.1【设计题目】：设计题目：阶梯波信号发生器1.2【设计要求】：设计要求： 1.设计一个能产生周期性阶梯波的电路；2.阶梯波周期在20ms 左右；3.输出电压范围10V ；4.阶梯个数4个以上； 5频率可调；6，输出电压可调。
.1.2【设计要求】：设计能产生周期性阶梯波的电路：tu o oU 0.25U55550.5U 0.75U图2 阶梯信号发生器输出波形示意图1.3【题目分析及构思】：阶梯信号发生器可由电压跟随器、555定时器构成的多谐振荡器、六进制计数器、缓冲器、反相求和电路及反相器组成，其框图如图6.3.1所示。
该电路能产生6个台阶的阶梯波。
图6.3.1 阶梯信号发生器框图信号发生器产生三角波通过电压跟随器进入555定时器构成的多谐振荡器，，电路形成自激振荡，输出为矩形脉冲，输出的矩形脉冲通过六进制计数器进行计数，计数结果通过缓冲器进入反相求和电路进行波形相加，形成反相的阶梯波形，输出结果再通过反相器输出为正相阶梯波形。
第二章总体设计与实践2.1【总体方框图】图6.3.1 阶梯信号发生器框图2.2【电路原理分析】需要信号发生器来作为信号源。
用运算放大器、电阻和可调电阻构成电压跟随器，具有电压跟随作用。
555定时器构成的多谐震荡器，由震荡器产生自激震荡产生矩形脉冲，电路的充放电常数决定波的周期，所以用555定时器构成的多谐震荡器来控制阶梯波的周期。
计数器74LS90D调为六进制计数，用来控制阶梯波的阶梯数。
缓冲器用来缓冲信号。
反相求和电路用来将信号相加，形成反相的阶梯波形。
然后再通过反相器形成正相6个阶梯的阶梯波形。
阶梯波发生器
数字合成技术使信号发生器变成非常轻便、覆盖频率范围宽、输出动态范围大、容易编程、适用性强和使用方便的激励源。过去测量1GHz以上的射频和微波元部件需要几个信号发生器组合，以及几种测量顺序，还要手动操作，现在一台高档信号发生器可提供1MHz至65GHz的带宽，而且全部程控操作，从实验室的台式，生产车间的便携式到现场的手持式应用都有大量信号发生器可供选择。
芯片选择6非门74HC04【5】，根据频率估算公式 【20】，要产生50KHz脉冲，可选择0.01 电容，电阻约1K 左右，为了精确调整脉冲频率，该处使用2K 电位器。图中J4是脉冲输出端插座。
3.2
计数器是各种数字逻辑系统中应用最广泛的基本逻辑器件，如计算机中的时序发生器、时间分配器、分频器、程序计数器等都要用到计数器，数字仪表中，时间、温度、压力、流量等物理量的“模-数”“数-模”转换也要用到脉冲计数器【3】。
图3—3非对称式多谐振荡器电路及工作波形
(3)环形振荡器
环形振荡器就是利用延迟负反馈产生振荡的，它是利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相连接而构成的。
图3—4环形振荡器
如图3—4，环形振荡器虽然结构简单，结构单一，但不实用，由于门的延时时间极短，TTL电路只有几十纳秒，CMOS电路也不过一二百纳秒，导致频率极高，要获得较低的频率，则需要大量的门进行延时；另外，一旦器件个数和特性确定，其频率也就确定了，不易调节。为克服上述缺点，可在环形振荡器中接入RC延时环节构成RC环形振荡器，振荡频率可由RC进行调节，可得到较低的频率， 【20】。
要把计数器产生的数字信号转换成阶梯电压信号，D/A（数模转换）是必不可少的过程，数模转换器DAC的作用就是将输入端的数字信号经过其内部电路转换成相应比例的模拟电压输出。原理框图如下：
北京工业大学电子实验报告压控阶梯波发生器(数字类)
工业大学
课程设计报告
学院 专业 班级
电子信息与控制工程 组号
题目 1、 压控阶梯波发生器 2、 基于运放的信号发生器设计
学号
指导老师 成梯波发生器（数字类）
（一）设计任务
在规定时间设计并调试一个由电压控制的阶梯波发生器。
（二）设计要求
1、输出阶梯波的频率能被输入直流电压所控制，频率控制围为 600Hz 至 1000Hz。
组装完毕后，对各个模块单独测试。
调试中发现的问题： 压频转换部分输出信号：
..
.
..
发现信号并不整齐，影响后面 TTL 计数电路的识别和波形发生。 在调整稳压管和增加施密特触发器个数后，波形得到改善：
计数器部分调试： 输入脉冲选择实验板上固定脉冲，四个输出端对应接到实验板数码管上。验 证十进制计数器工作情况。验证无误后，将输入脉冲改为压频转换电路生成的脉 冲信号，进一步确认信号通路完好。
放具大有器很部高分放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常 VCC
3A
4B
GN56 D
C D
7 ENP 10 ENT
9 ~LOAD 1 ~CLR
2 CLK
QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15
U2
3 4
4 1D 5 2D 12 3D
13 4D
28
1 9
~CLR CLK
1Q 2 ~1Q 3
19
4kΩ
R13
2kΩ
20
R9Key=2A3
50%
2kΩ2kΩ R14
Key=A
50%
R8 24
1kΩ
R15
2kΩ 50%
Key=A
R17 27 3 680Ω
阶梯波发生电路的设计
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，比较器输出变为负图3.01 阶梯波发生原理框图2、实验原理图图3.02 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。
图3.03 方波发生电路图3.04 方波波形（2）微分电路设计在图3.03所示的方波发生电路的输出端接电阻R5和电容C2即可组成图3.05所示的微分电路，示波器所得的输出波形见图3.06的尖脉冲波形。
图3.05 方波发生电路+微分电路图3.06 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3.07所示。
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。
简易阶梯信号发生器
简易阶梯信号发生器一设计要求1:设计一个电路，在输出端能产生七个阶梯相同的电压波形如图：2：器件74LS74 2块5K电阻1个10K电阻2个20K电阻1个uA74 1块+5V电源+15V电源-15V电源1KHzCP脉冲源3：画出电路与及接线图4:若取TTL电路UoH=3V,求电压输出范围二设计分析及工作原理设计分析1 74LS74为双D触发器，将2块74LS74级联，可以组成三位二进制异步递减计数器，经级联后可得其驱动方程：D1= Q1，D2=Q2,D3=Q3,其状态方程为：Q=D,Q1=Q1,Q2=Q2,Q3=Q3,由此可列出其真值表如下0001110011100101010111001000111010101100011110002 运算放大器与电阻相连可以组成一个反向求和电路，还要考虑位权的问题，故其输出电压U= 若要是该电路产生7阶阶梯相同的电压，则必须令Q1,Q2,Q3前的系数一致，即，经计算得:Rf=10K,R1=5K,R2=10K,R3=20K,所以输出电压U=其电路连接如上：原理分析:当脉冲信号到来时，由74LS74组成的三位二进制计数器开始工作，且递减输出，将Q1,Q2,Q3分别与反向求和放大电路的R1,R2,R3相连接，构成反向求和电路，输出电压U= ,将输出电压U与示波器相连，即可得到所求波形如下。
3 若取TTL电路UoH=3V,求电压输出范围。
三心得体会通过本次实习，我学到了不少知识，例如刚开始设计这道题时，我不知道该怎样设计，和器件相关的知识点也看了，但始终不确定各部分到底要完成什么功能。
最后，我请教了老师，在老师一步步的指点下，我才却定了各部分器件真正的功能，仔细看了看数电及模电课本，我明白了将74LS74级联可以构成三位二进制递减计数器，为运放提供输入信号。
而设计时最重要的一部分我认为应该是反向求和放大器中电阻的连接，为了输出7个阶梯相同的电压，就必须令输出电压表达式中各系数相等，还要考虑三位二进制计数器各输出端Q值权的问题。
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《数字电路课程设计》
说明书
题目：阶梯波信号发生器
专业：电子信息科学与技术
班级：------
学号：------
姓名：------
目录
1、设计题目 (3)
2.设计目的: (3)
3.设计要求 (3)
4.设计方案 (3)
5.设计原理 (4)
5.1预置数功能实现 (4)
5.2时钟信号发生器 (4)
5.3 D/A转换器 (6)
5．4整体电路图 (7)
6、心得体会 (7)
7.参考文献 (7)
正文
1、设计题目
设计一个阶梯信号发生器
2.设计目的:
1）.了解D/A转换电路的工作原理。
2）.掌握用集成运算放大器设计D/A转换电路。
3.设计要求
1）. 以集成计数器为主要器件，设计一个阶梯波发生器，要求输出如图所示波形。
周期为
2ms。
2）.依据设计结果，创建实验电路。
3）.仿真、调试。
4.设计方案
1）由时钟信号发生器、计数器和D/A转换器组成电路。
2）时钟信号发生器的信号频率可调，可采用由555构成的多谐振荡器。
3）由74LS161反馈置零法确定方波的阶数。
4）D/A转换器将计数器的输出值转换为模拟电压。
5.设计原理
5.1预置数功能实现
如下图
5.2时钟信号发生器
时钟信号发生器可由振荡器构成，振荡器采用555构成的多谐振荡器，通过改变阻值实现振荡器频率可调。
利用555定时器组成的多谐振荡器接通电源后，电容C1被充电，当电压上升到一定数值时里面集成的三极管导通，然后通过电阻和三极管放电，不断的充放电从而产生一定周期的脉冲，通过改变电路上器件的值可以微调脉冲周期。
由所学知识知T= (R1+2R2)*C1,则f=1/T,通过直接按键盘字母F（增加R2的接入阻值）或者Shift+F（减小R2的接入阻值）来改变频率。
连线电路如下图：
确定阶梯波的周期
方波发生器由555占空比可调的方波发生器产生，由于电路中二极管1D 、
2D 的单向导电特性，使电容器C 的充放电回路分开，调节电位器，就可调节多谐振荡器的占空比。
1R 、5R 和2D 向电容C 充电，充电时间为
0.7pH A t R C
≈ . 电
容器C 通过 1D 、3R 、5R 及555中的二极管T 放电，放电时间为0.7PL B t R C ≈,
因此振荡频率为
1pH pL
f t t =
+
电路输出波形的占空比为*100%A A B R q R R =
+ 振荡周期
1
T f =
5.3 D/A转换器
D/A转换器将计数器的输出值转换为模拟电压。
QA、QB、QC、QD四个输入信号经过布线延时以后，高低电平变换不是同时发生的，因此在转换过程存在竞争冒险现象，这导致输出信号"OUT"出现了毛刺。
在此次设计中我采用低通滤波（R=1Kohm，C=0.05nF），把出现的尖顶脉冲滤除。
功能实现如下图所示：
连线电路如下图：
5．4整体电路图
VCC
4k¦¸
Key=A
6、心得体会
转眼间，断断续续为期一周的数字电路课程设计就结束了。
通过这一周的课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高。
同时，也与同伴培养了极好的默契，
在课程设计的过程中，由于对理论掌握的不熟练，以及操作过程中的失误，都会导致最后结果出不来。
但是，我们通过不断的学习，讨论，请教，不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。
最终的检测调试环节，虽然经过很多次的修改以及讨论才最终成功，但对我们而言以及及其优秀了，相信以后的我们会更加的熟练与学习。
在本次课程设计中我们明白了实际能力的培养对我们而言是至关重要的，我们必须从课堂走向实践。
也是通过课程设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，培养一个良好的学习态度。
7.参考文献
1.康华光，电子技术基础（数字部分）第五版 高等教育出版社。