阶梯波发生电路的设计
阶梯波发生器实验报告
实验题目：阶梯波发生器的设计与实现制作人：许江华班级：09211107学号：09210190班内序号：09一、实验目的（1）通过实验进一步掌握集成运放哥电压比较器的应用（2）进一步提高工程设计和实践动手能力，建立系统概念一、实验原理图二、实验内容1、利用所给器件设计一个阶梯波发生器，f>=500Hz,Uopp>=3V,阶梯数N=6；2、设计该电路的电源电路（不要求搭建），用Protel软件绘制完整的电路原理图（SCH）即印刷电路板图（PCB）。
三、实验所用仪器1.函数信号发生器2.示波器3.晶体管毫伏表4.万用表5.直流稳压电源四、实验可选器件LM741，电位器，二极管，电阻，电容等五、实验过程（一）方波发生器1）方波发生器电路图各个器件的作用：Rf1的作用为：调节阶梯波的阶梯数Rp1的作用：调节方波的周期，相当于调节阶梯波的周期（二）积分电路积分电路原理图：（三）迟滞电压比较器迟滞电压比较器的原理图：R1的作用：调节比较电压的大小，起到了调幅的作用（四）阶梯形成控制门阶梯形成控制门的原理图：（五）阶梯返回控制门六．电路原理图分析阶梯波发生器电路图：实验原理分析：该电路的组成之前已经介绍过。
现在分析实验原理：由于方波发生器的同向输入端接的是一个正参考电压，，输出所以是负脉冲。
在负脉冲持续时间内，二极管D2导通，积分器U3对负脉冲积分，其输出电压上升。
负脉冲消失之后，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，则改制每增加一个台阶，U1的输入电压增加一个值。
在台阶级数较少的时候，U1的同向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的同向输入端电压高于参考电压，U1的输出跳变成高电压，D2导通，积分器进入正电压积分，使U3输出电位下降明知道U3输出电压降至迟滞电压比较器的下门限电压时，U1输出才又恢复地电位D2截止，完成一个周期。
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。
阶梯波发生器电路实验报告
课题名称：阶梯波发生器的设计和实现院系：班级：姓名：班内序号：目录摘要： (2)关键词： (2)实验任务 (3)1、基本要求： (3)2、提高要求： (3)3、探究环节： (3)实验设计 (3)结构框图： (3)1.阶梯波发生电路 (3)2.三极管输出特性测试电路： (4)电路实现方案和原理： (4)1.阶梯波发生器方案和原理： (4)a.脉冲发生器电路设计 (5)b.积分器电路设计 (6)c.迟滞电压比较器电路设计 (6)2.交流电转12v直流电源电路设计： (7)3.三极管输出特性曲线测试电路方案和原理： (8)电路特性仿真（orcad）： (8)1.脉冲发生器反馈电阻（R1）对波形的影响： (8)2. Rf1对阶梯波的影响： (10)3.Rp1对阶梯波电路的影响： (11)4.Rp3对阶梯波电路的影响： (13)5.Rw3对阶梯波电路的影响： (14)电路测试与实现 (15)调试方法： (15)电路实现： (15)1.面包板搭建实现： (15)2.脉冲波输出波形： (16)3.阶梯波输出： (17)4.三极管输出特性曲线输出： (17)故障、问题分析及解决： (18)总结与体会： (18)附录： (19)1.元器件： (19)2.仪器仪表： (19)3.工具： (20)4.protel原理图 (20)a.电源电路（单路12v DC） (20)b.阶梯波发生电路（左）和三极管输出特性测试电路（右） (20)5.PCB印刷 (21)a.电源电路（单路12v DC） (21)b.阶梯波发生电路及三极管输出特性测试电路 (22)PCB板接口注释： (22)参考资料： (23)摘要：阶梯波是一种在电子电路中常见的波形，在无线电遥测、调频信号磁带记录以及数字电压表中较为有用，产生阶梯波的方法很多。
在模拟电路中常用运算放大器的组合形成方波-三角波发生器与迟滞电压比较器，并利用二极管、电容的电气特性来产生阶梯波。
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。
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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。
示波器显示的单边尖脉冲如图3.08所示。
图3.07方波发生电路+微分电路+限幅电路
图3.08 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，在图3.07所示电路的基础上连接积分累加电路
如图3.09所示，打开仿真开关，可以得到积分累加的输出波形如图3.10所示。
图3.09 方波发生电路+微分电路+限幅电路+积分累加电路
图3.10 阶梯波形
（5）周期阶梯波电路设计
在图3.09的基础上家上电压比较器和开关控制器，就组成了完整的阶梯波发生电路，如图3.02所示，输出波形如图3.11。
从图3.11可以读周期性阶梯的周期为21.803ms左右，电压变化范围为10V，阶梯个数为5个。
图3.11 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R4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241ln(122/1)T R C R R =+。
下面保持其他部分不变，令R4=150k Ω，即扩大两倍时，波形如图3.12所示，周期T=41.929ms ，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R2=20k Ω，即扩大两倍，则周期T=31.866ms ，波形如图3.13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。
图3.12 R4=150k Ω，其余不变 图3.13 R2=20k Ω，其余不变
（2）只影响阶梯高度的量 ①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。
表 3.01 改变C3， 其余不变
改变R5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53R C 可以改变阶梯波的每个阶梯的高度。
53R C 与阶梯波的每个阶梯的高度成反比。
但实验测得的
表 3.02 改变R5， 其余不变
②微分电路对波形高度影响
同样C2的值也会影响阶梯高度，具体关系见表3.03。
由表可知，当其余值保持不变，仅改表3.03 改变C2，其余值不变
R11的值对阶梯高度也有影响，见表3.04。
可以看出，阶梯高度与R11并没有明显的正比关
表3.04 改变R11的值，其余不变
③总结
可见，影响阶梯高度的主要是R5、C3、R11和C2。
根据微分器积分器原理，理论上，阶梯高度与
211
35
C R C R ••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。
图3.14 R8= 20kΩ，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。
图3.15、R10=20kΩ，其余不变
③改变R9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R9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R3的值，波形也会发生变化。
当增大R3时，阶梯高度变小，周期变大，但电压变化范围基本不变。
当R3=16kΩ，即扩大8倍时，波形如图3.16所示。
图3.16 R3=16kΩ，其余不变
②在一定范围内（对于本题大致为12.5V，这该是由Vcc决定的），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。
周期大致与稳压值成反比，而阶梯高度与之大致成正比。
稳压值/V 2.5 5 8 10
周期/ms 42.767 21.803 16.771 12.579 阶梯高度979.275mV 1.975V 3.155V 3.910V
表 3.05 稳压值改变，其余不变
五、实验感想
阶梯波电路设计本身是一个比较难的设计，但因为有参考电路，所以做出波形就相对比较容易了。
本次实验的难点应该在于对于设计原理的理解，尤其是电路各部分的理解以及各部分的作用。
若只照搬电路而不理解本题的原理，我感觉做本题就没有什么意义了。
这道题是对基本运算电路的综合运用，困难之处就在于这个电路比较复杂。
其实一部分一部分地看，本体的设计也并非十分困难，除了发波发生器和振荡控制电路不容易设计出来以外，其他设计都是十分基本的。
这次的实验加深了对运算电路和放大器的理解深化了这一部分的模电知识。
在实验过程中也出现了一些难题，譬如书上说输出地阶梯高度与R5C3成反比，但自己测出来的数据却并非如此，于是调试电路很久，又和同学和老师讨论才弄明白。
总之，通过这次实验收获了好多。