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T2RfC1ln(12R2/R1)。下面保持其他部分不变，令Rf=150k，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R2=20k，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。
Rf=150k，其余不变
R2=20k，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
C2R3
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
C3R6
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。
R8= 20k，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。
R10=20k，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R3=10k，即扩大5倍时，波形如下图所示。
R3=10k，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
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T2RfC1ln(12R2/R1)。下面保持其他部分不变，令Rf=150k，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R2=20k，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。
Rf=150k，其余不变
R2=20k，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
C2R3
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
C3R6
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。
R8= 20k，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。
R10=20k，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R3=10k，即扩大5倍时，波形如下图所示。
R3=10k，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