毕业设计（论文）
题目阶梯波信号发生器设计
专业电气工程及其自动化
班级电气023
学生
指导教师
2006 年
作者姓名：论文题目
阶梯波信号发生器设计
专业：电气工程及其自动化
班级：电气023班
作者：
指导教师：职称：副教授
答辩日期：2006-06-18
摘要
在电子测量和自动控制系统中，由阶梯波信号发生器产生的阶梯波信号，可以作为时序控制信号和多极电位基准信号，从而获得了广泛的用途。本文设计了一种用计数器和D/A转换器构成的同步阶梯波发生器，同步脉冲为50KHz，电压变化范围为0V~10V，可以产生256/128/64/32/16等不同阶数的阶梯波。由于电路主要采用数字方式，可以产生精度和频率都较高的阶梯波信号。
电路主要由三个部分构成：同步脉冲发生部分（采用多谐振荡器）、计数器部分和D/A转换部分。该电路工作稳定，产生的波形与预期结果基本一致。
关键词：阶梯波、计数器、D/A转换器、多谐振荡器
西安理工大学本科生毕业设计（论文）
Abstract
In the electronic measurement and automatic control system, procreative step wave generated by staircase generator is used extensively because of its usage for sequential control signal and multipolar electric potential reference signal.This paper designed a kind of staircase generator consisted of counter and D/A convertor,the frequence of clock pulse is 50KHz, and the voltage spreads from 0V~10V, it can produce the step wave with 256/128/64/32/16 etc. ranks. Because the electric circuit mainly adopts the numerical way, it can produce the step wave signal with a better accuracy and higher frequencieses.
This circuit is mainly made up of three parts: clock pulse generator (multivibrator), counter and D/A convertor. That circuit work stability and the waveform produced by the circuit basicly accords with the expectated result..
Keywords: step wave, counter, D/A convertor, multivibrator
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目录
第1章概述 (1)
1.1信号发生器 (1)
1.1.1信号发生器发展 (1)
1.1.2信号发生器分类 (1)
1.1.3信号发生器的发展趋势 (2)
1.2关于阶梯波 (2)
第2章阶梯波的实现方式 (3)
2.1传统阶梯波发生器 (3)
2.2本课题用数字方式实现阶梯波 (3)
2.2.1基本功能的实现 (3)
2.2.2多种阶数的实现 (4)
第3章阶梯波信号发生器设计 (6)
3.1脉冲发生器设计 (6)
3.1.1多谐振荡器 (6)
3.1.2本课题采用的脉冲发生方式 (8)
3.2计数器设计 (9)
3.2.1计数器的分类 (10)
3.2.2四位二进制同步计数器74LS161 (10)
3.2.3本课题中计数器的使用 (11)
3.3D/A转换及运放 (13)
3.3.1AD/DA的分类 (13)
3.3.2D/A转换器的主要技术指标 (15)
3.3.3本课题中DAC及运放的选择 (15)
3.4Multisim仿真 (17)
3.4.1计数器逻辑功能验证 (18)
张全：阶梯波信号发生器设计
3.4.2仿真阶梯波波形 (19)
第4章PCB设计及制作 (22)
4.1PCB的一些设计规范 (22)
4.1.1布局规则 (22)
4.1.2布线规则 (23)
4.1.3PCB及电路抗干扰措施 (24)
4.2PCB设计 (25)
4.2.1原理图绘制 (25)
4.2.2PCB布局 (28)
4.2.3PCB布线 (29)
4.3PCB的装配 (30)
第5章硬件调试及改进 (32)
5.1调试 (32)
5.1.1上电测试 (32)
5.1.2阶梯波性能分析 (35)
5.2改进 (37)
第6章结论 (39)
致谢 (40)
参考文献 (41)
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第1章概述
1.1 信号发生器
测量仪器从宏观上可分为两大类，即激励和检测，激励仪器指的就是各类信号发生器。
1.1.1信号发生器发展
在1980年以前，信号发生器全部属于模拟方式，借助电阻电容、电感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形。频率的变动由机械驱动可变元件，如电容器或谐振腔来完成，往往调节范围受到限制，因而划分为音频、高频、超高频、射频和微波等信号发生器。
1980年以后，数字技术日益成熟，信号发生器绝大部分不再使用机械驱动而采用数字电路，从一个频率基准由数字合成电路产生可变频率信号，调制方式也变得更加复杂。
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。
1.1.2信号发生器分类
(1)按频率范围分类：
超低频信号源30kHz以下；
低频信号源30kHz ~300kHz；
视频信号源300kHz ~ 6MHz；
高频信号源6MHz ~ 30MHz；
甚高频信号源30MHz ~ 300MHz；
超高频信号源300MHz ~ 3000MHz；
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(2)按输出波形分类：
正弦信号发生器；
非正弦信号源：脉冲信号发生器、函数信号发生器、任意波形信号发生器；
(3)按信号源性能分类：
一般信号发生器；
标准信号发生器。
1.1.3信号发生器的发展趋势
(1)带有微处理器，具备自校、自检、自动故障诊断、自动波形形成
等功能；
(2)带有IEEE-485或RS232总线、可以和计算机构成自动测试系统；
(3)朝着宽频带覆盖、高频率精度、多功能、多用途自动化和智能化
方向发展。
1.2 关于阶梯波
在电子测量和自动控制系统中，由阶梯波信号发生器产生的阶梯波信号，可以作为时序控制信号和多极电位基准信号，从而获得了广泛的用途【1】。例如晶体管特性测试中经常需要阶梯波信号源作为晶体管基极驱动信号源，传统的信号源采用泵式阶梯波产生电路，由于电路受到二极管、三极管等管子参数的影响，精度较低，而且要求脉冲信号源具有一定的负载能力，所以只能适用于要求不高的场合，对于精度较高的阶梯信号，可用D/A 变换器配之以计数器、脉冲发生器等来产生。
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第2章 阶梯波的实现方式
2.1 传统阶梯波发生器
传统泵式阶梯波信号电路由两个二极管和两个电容器组成，如图2—1，
图2—1 泵式阶梯波发生器原理电路
当输入脉冲由零点平降至-E 时，二极管1D 导通，2D 截止，输入脉冲电
压对电容器1C 充电，因二极管1D 的等效电阻很小，所以电容1C 很快充电到
E ；当输入脉冲由-E 电平回到零电平时，由于电容1C 两端电压不能突变，
故B 点电位为+E ，此时1D 截止，2D 导通，1C 进行充电，此时电容1C 和2C 将对电压E 进行快速分配，2C 将获得一定比例的电压，完成阶梯波的一级，
当2C 〉〉1C 时，连续的输入脉冲时，输出电压o U 将获得一个阶梯波。
这种应用模拟方式产生阶梯波的方式，由于其在精度、频率、可调性等多方面的不足，现在已经很少使用。
2.2 本课题用数字方式实现阶梯波
2.2.1 基本功能的实现
本课题要求设计一个同步阶梯波信号发生器。同步脉冲信号的频率为50KHz ，阶梯波阶数为128（或256）阶，阶高约为78mV （或39mV ）。由于要实现的阶梯波阶数比较多，阶梯高度比较小，虽然频率要求不高，但是对阶梯波形的精度要求是比较高的，要求阶梯波的上升沿要尽量陡。
要达到上述要求，若单纯用模拟电路来实现是有一定难度的，通过观察可以看出阶梯波的一些特点：等阶高、等阶宽、上升阶梯循环产生。
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等高：就是说相邻阶梯之间的电压差相同；
等宽：就是每阶梯持续的时间均向同；
循环：阶梯上升到最高后回到零电压继续产生上升阶梯，如此循环。
其中等宽和循环正好符合数字计数器的特点，计数器的工作方式就是根据触发脉冲在“0~0”到“1~1”之间进行加计数或减计数，其计数频率在芯片允许范围内随脉冲频率变化而变化。
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：
图2—2 阶梯波发生器原理框图
2.2.2多种阶数的实现
由于课题要求电路要能实现128（或256）阶的阶梯波，故在设计电路就要考虑如何让同一电路实现多种阶数的阶梯波。
256阶，就是有256个电压台阶，根据DAC工作原理（后面章节具体描述）可知，8位的DAC就可以满足要求，计数器也相应得选择8位，但若要用8位的DAC产生7位（128阶）的阶梯波，而且要使所产生的电压范围不变，则DAC的最低位应固定不变，从第二位到最高位顺序计数，相应的计数器实际也应进行7位计数，这样的话可以将计数器的低7位顺序接到DAC的高7位，如图2—3：
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图2—3 128阶梯实现方式
计数器实际还是进行8位计数，低7则仍是从“0000000”到“1111111”变化，相当于一个7位计数器，可以看出计数频率不变，所以所生成的阶梯波单阶宽度也不变，只是单阶高度比256阶的高一倍。
依此类推，64阶、32阶等也可以很容易实现，如图2—4：
图2—4 64阶梯实现方式
用数字方式来实现阶梯波在原理上比较简单，相应波形的性能将在后面的章节进行分析。
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第3章 阶梯波信号发生器设计
3.1 脉冲发生器设计
3.1.1 多谐振荡器
多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，就可以自动的产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡器【3】。
多谐振荡器的实现有多种方式，较为简单的有以下几种：
(1) 对称式多谐振荡器
图3—1所示电路是对称式多谐振荡器的典型电路，它是由两个反相器1G 、2G 经耦合电容1C 、2C 连接起来的正反馈振荡电路。该电路是利用RC
电路的充、放电分别控制1G 、2G 的开通与关闭来实现自激振荡的。
图3—1 对称式多谐振荡器电路
设1o u 为低电平0、2o u 为高电平1时，称为第一暂稳态；
1o u 为高电平1，2o u 为低电平0时，称为第二暂稳态；
设接通电源后由于某种原因使1i u 产生很小正跃变，使电路产生如下正
反馈过程：1i u ↑→1o u ↓→2i u ↓→2o u ↑，电路进入第一暂稳态；
接着电容2C 放电，1C 充电，电路又产生另一个正反馈过程：
2i u ↑→2o u ↓→1i u ↓→1o u ↑，电路进入第二暂稳态。
由以上分析可看出，由于电容1C 、2C 交替进行充电和放电，电路的两
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个暂稳态自动相互交替，从而使电路产生振荡，输出周期性的矩形脉冲。工作波形如图3—2所示：
图3—2 对称多谐振荡器工作波形
其振荡周期估算公式为C R T F 4.1≈。
(2) 非对称式多谐振荡器
图3—3是用CMOS 与非门构成的典型的振荡器电路【4】。
当反相器F2输出正跳时，电容t C 立即使F1输入为“1”，输出为“0”。
电阻t R 为t C 对反相器输出提供放电通路。当t C 放电到F1的转折电压时（为
1/2电源电压），F1输出为“1”，F2输出变为“0”。电阻t R 连接在F1的输
出端对t C 反方向充电。当t C 被充电到F1的转折电压时，F1输出为“0”，
F2输出为“1”，于是形成周期性多谐振荡器。振荡周期t t C R T 2.2≈。电阻s R 是反相器输入端保护电阻，不影响振荡频率。
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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，RC
【20】。
T2.2
(4)此外，还有用施密特触发器或石英晶体构成的多谐振荡器等等。
3.1.2本课题采用的脉冲发生方式
拟采用TTL或高速CMOS门电路来构成多谐振荡器，电路采用较为简
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单的带RC 延时的环形振荡器。电路如图3—5：
图3—5 脉冲发生部分电路
假设电容上初始点压C V 为0，接通电源后，振荡器输出为高电平，2V 低电平，out V 通过电阻R 向电容充电，由于电容电压不能突变，a V 随2V 一起产生负跳变，随后a V 随电容器充电逐渐升高。这期间，电路处于第一暂稳
态，持续时间为1t 。当升高到反相器的阈值电压T V 时，振荡器的输出由高
电平变为低电平，2V 变为高电平。同样电容电压不能突变，a V 随2V 一起产生正跳变，随后a V 随电容器放电逐渐降低。这期间，电路处于第二暂稳态，
持续时间为2t 。当降低到反相器的阈值电压T V 时，振荡器的输出又变为高
电平。于是，电路在两种状态间交替变换，产生周期性矩形脉冲输出。
芯片选择6非门74HC04【5】，根据频率估算公式RC T 2.2≈【20】，要产生50KHz 脉冲，可选择0.01μ电容，电阻约1K Ω左右，为了精确调整脉冲频率，该处使用2K Ω电位器。图中J4是脉冲输出端插座。
3.2 计数器设计
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】。
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3.2.1计数器的分类
计数器按数制的模数分为二进制、十进制和N进制计数器；
按计数方式可分为加计数、减计数和可逆计数器；
按计数脉冲输入方式的不同又分为同步计数器和异步计数器两类，其中异步计数器使用串行进位，总延迟时间为各级触发器延迟之和，同步计数器的总延迟和级数无关，速度较快。
3.2.2四位二进制同步计数器74LS161
该计数器能同步预置数据，异步清零，具有清零、置数、计数和保持四种功能，并且具有进位信号输出，可串接计数使用。图3—6中
Q~3Q是
计数输出端，
P~3P是预制数输入端，CEP CET为工作状态控制端，TC是
进位输出端，R*为异步置零（复位）端，PE为预制数控制端，CP为脉冲输入端[7]。
图3—6 74LS161引脚定义
74LS161的功能表和时序图如表3—1和图3—7所示。
表3—1 74LS161功能表
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图3—7 74LS161时序图
3.2.3本课题中计数器的使用
要产生256阶梯的阶梯波，就是说需要能产生256个二进制数的计数器，可知应该使用8位的计数器，常用的74LS161是四位二进制计数器，使用两片做级联就可以构成八位二进制计数器。
计数器级联后计数规律：低位片没有达到计数最大值“1111”时，高位片不计数；达到最大时，高位片才计数。根据计数器的功能表可知，级联主要有两种方法【6】：
(1)低位计数器进位端TC与相邻高位CET相连，如图3—8：
图3—8 计数器低速级联
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工作过程：1片“1111” → 121==CET TC → 2片计数；
1、2片“11111111” → 132==CET TC → 3片计数…
这种方法中，一个计数脉冲要经过1片~N 片逐片传递，N 稳定后，可进行第二个脉冲，最高计数频率与链接片数有关，片数越多，频率越低，所以这是一种慢速的级联方式。
(2) 最低位TC 与所有高位片CEP 相连，从2片开始，低位TC 依次
和高位CET 相连，如图3—9：
图3—9 计数器高速级联
工作过程：1片“1111” → 121==CEP TC → 2片计数；
1、2片“11111111” → 121==TC TC ；113==TC CEP ；
123==TC CET → 3片计数
这种方法中，最高频率与片数无关，是一种比较快的级联方式。
由于只使用两片计数器级联，上述两种方式对于两片来说是等同的，使用2片74LS161级联实际电路如图3—10：
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图3—10 实际计数器部分电路
该图中两片161的各四个输入端均接低电平，A Q ~D Q 相当于0Q ~3Q ，复位端CLR 、预置数端LOAD 和ENP 端均上拉到高电平，由于低位片（上）ENT 接高电平，故此时低位片在脉冲作用下工作在计数方式，低位片计满之前，高位片（下）ENT 始终为低电平，工作在保持状态，直到低位片计满、RCO 进位信号变为高电平时，高位片开始对脉冲进行计数；随后低位进位信号又转为低电平，高位片恢复到保持状态，保持“0001”等待低位片的第二个进位信号。图中J3是脉冲输入端插座。
3.3 D/A 转换及运放
3.3.1 AD/DA 的分类
A/D 转换器主要分为积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型【14】。A/D 转换器不是本课题研究重点，故对其具体分类不再阐述。
D/A 转换器大多数由电阻阵列和n 个电流开关（电压开关）构成，按
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数字输入值切换开关，产生比例于输入的电流（电压）。此外也有为改善精度把恒流源放入器件内部的。
一般的，由于电流开关的切换误差小，大多D/A采用电流开关型电路，电流开关型电路如果直接输出生成的电流，则为电流输出型D/A转换器；若经电流-电压转换后输出，则为电压输出型D/A转换器【8】。
(1)电压输出型
电压输出型D/A转换器虽有直接从电阻阵列输出电压的，但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出，直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载，由于无输出放大器部分的延迟，常作为高速D/A使用。
(2)电流输出型
这种D/A转换器很少直接利用电流输出，大多外接电流-电压转换电路得到电压输出，后者有两种方法，一是在输出引脚上接负载电阻进行电流-电压转换，二是外接运算放大器。
用负载电阻的方法，虽可在电流输出引脚上出现电压，但必须在规定的输出顺从电压范围内使用，而且由于输出阻抗也很高，所以一般外接运算放大器使用。此外，大部分CMOS D/A器件当输出电压范围不为0时不能正常动作，故必须外接运放。
外接运放进行转换时，电路构成基本与内置放大器的电压输出型相同，这时，由于在D/A的电流建立时间上加入了运算放大器的延迟，这部分响应也变慢。此外，这种电路中运放因输出引脚的内部电容而引起自振，有时必须作相位补偿。
(3)乘算型
D/A转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压输入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出，因而称为乘算型DA转换器。乘算型D/A转换器一般不仅可以进行乘法运算，而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用。
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。训练培养严肃认真的工作作风和科学态度。同时，它也培养我们查阅资料的能力和学生的工艺素质，培养我们的团队精神以及综合设计和实践能力。就是培养我们严肃认真的工作作风和严谨的科学态度以及学会撰写课程设计报告，为以后毕业论文打好基础。 一．方案论证 1.1提出方案 方案一：此方案采用模拟电路中的基本模块电路进行压控阶梯波的设计，原理框图如图1所示：
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
实验四阶梯波发生器电路的设计 一、实验目的 1. 熟悉Multisim软件的使用，包括电路图编辑、虚拟仪器仪表的使用方法掌握常用电路分析方法。 2. 能够运用Multisim软件对模拟电路进行设计和性能分析，掌握EDA设计的基本方法和步骤。 3.熟练掌握有关阶梯波电路设计的方法，并应用相关知识来分析电路，掌握组 成阶梯波电路的各个部分的电路的在阶梯波电路中的作用，深刻体会阶梯波的调节方法，做到理论和实践相结合，加深对知识的理解。 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围和周期的元器件。 三、实验步骤 1．实验所用的总电路图如下图1所示：
图1 电路输出的波形如下图2和图3所示：
图2 图3 由上面两幅图可以看出阶梯波的周期为T=23.899mS，阶梯个数为5个，输出电压 为10.024V符合实验要求。 本实验所用的电路由方波发生电路、微分电路、限幅电路、积分累加器、比较
器、电子开关电路、振荡控制电路和电源等八部分电路组成，各个部分的关系可 由 下框图所示： 振荡控制电路 输出方波发生器微分电路限幅电路积分累加电路比较器 电源电子开关电路 2.电路工作原理 ①方波发生器电路 方波发生器电路如下图4所示： 图4
实验所用方波发生电路产生的方波的周期为T=Cln(1+2)，带入相应 的数据可知T=2×18.7KΩ×100nF×ln(1+2)=3.76mS。其输出的方波波形如下图5和图6所示：
课程设计(论文)任务书 电气学院学院11电力牵引专业（3）班 一、课程设计(论文)题目单相逆变器SPWM调制技术的仿真 二、课程设计(论文)工作自 2014年6月16日起至2014年 6月20 日止。 三、课程设计(论文) 地点: 电气学院机房 四、课程设计(论文)内容要求： 1．本课程设计的目的 （1）熟练掌握MATLAB语言的基本知识和技能； （2）熟悉matlab下的simulink和simpowersystems工具箱； （3）熟悉构建单相桥式逆变器SPWM单极性和双极性调制的仿真模型； （4）培养分析、解决问题的能力；提高学生的科技论文写作能力。 2．课程设计的任务及要求 1）基本要求： （1）要求对主电路和脉冲电路进行封装，并对调制度和载波比参数进行封装；（2）仿真参数为：E=100-300V; Ma= N=9-21; h=，其他参数自定；
（3）给出调制波原理图、相电压、相电流、线电压、不同器件所承受的电压波形以及 频谱图，要求采用subplot作图； （4）选取不同参数进行仿真，比较仿真结果有何变化，给出自己的结论。 （5）利用matlab下的simulink和simpowersystems工具箱构建单相桥式逆变器spwm 单极性和双极性调制的仿真模型。 2）创新要求： 封装使仿真模型更加美观、合理 3）课程设计论文编写要求 （1）要按照课程设计模板的规格书写课程设计论文 （2）论文包括目录、正文、心得体会、参考文献等 （3）课程设计论文用B5纸统一打印，装订按学校的统一要求完成 4）答辩与评分标准： （1）完成原理分析：20分；
（2）完成设计过程：40分； （3）完成调试：20分； （4）回答问题：20分； 5）参考文献： [1] 刘凤君. 现代逆变技术及应用[M]. 北京: 科学出版社, 2006. [2] 伍家驹, 王文婷, 李学勇, 等. 单相SPWM逆变桥输出电压的谐波 分析[J]. 电力自动化设备, 2008, 28(4): 45-49, 52. [3]王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社， [4]汤才刚，朱红涛，李莉，陈国桥，基于PWM的逆变电路分析，《现代电子技术》2008年第1期总第264期。 [5]刘卫国.MATLAB程序设计与应用（第二版）.北京：高等教育出版社，2008. 6）课程设计进度安排 内容天数地点 构思及收集资料 2 图书馆 编程设计与调试 2 实验室
北京工业大学 课程设计报告 学院电子信息与控制工程 专业通信工程 班级 120241 组号 14 题目1、压控阶梯波发生器 2、基于运放的信号发生器设计 姓名周文晨 学号12024128 指导老师张国英 成绩 2014 年05 月29 日
压控阶梯波发生器 【实验名称】压控阶梯波发生器 【设计任务】在规定时间内设计并调试一个由电压控制的阶梯波发生器。 【设计要求】 1、输出阶梯波的频率能被输入的直流电压所控制，频率控制范围为600Hz---1000Hz。 2、输出阶梯波的台阶数为10级，且比例相等。 3、输出阶梯波的电压为1V/级。 4、输入控制电压的范围为0.5V至6V。 5、电路结构简单，所用原器件尽量少，成本低。 【调试要求】利用实验室设备和指定器件进行设计，组装和调试，达到设计的要求，写出总结报告 仿真图，草图，电路图附本实验的报告后 【参考元器件】 1、运算放大器uA741,LM324，LM358. 2、TTL电路74LS20，74LS161 ，74LS175。 3、CMOS缓冲器CD4010 4、稳压管二极管 5、电阻电容电位器
设计思路 一：输出阶梯波的台阶数为十阶 想法：采用十进制计数器，确保每十个时钟信号后清零。选取74LS161芯片 二：输出阶梯波每阶比例相等，电压为1V/阶 想法：⑴采用权组网路，将数字信号转化为模拟信号 ⑵运用放大器，将输出信号放大以满足要求。选取运算放大器LM358芯片 另外，74LS161是单纯的计数功能芯片，带负载能力很弱。对于后面串上的几十千欧级的电阻显得力不从心。用万用表实测74LS161输出管脚的电压值，也确实发现高电平对应的实际电压值并不恒定。为改善这样的情况，需把74LS161输出加到74LS175上，再把74LS175的输出加到CD4010上CD4010是缓冲器，可以把不稳的输入电压缓冲为稳定的输出电压，而且电流加大，大大加强了带负载的能力。74LS175和CD4010共同组成了缓冲器，虽然对电路的逻辑功能没有影响，但却是实现电路功能不可或缺的一部分。 综上所述，电路应分为压频转换波分、计数部分、全电阻网络部分和信号放大部分。我们选取的芯片为：LM358、74LS161、74LS175、CD4010
目录 1 设计要求 (1) 2 逆变器控制方式选择 (1) 3 方案设计 (2) 3.1系统总体框图 (2) 3.2主电路的设计 (3) 3.3 DSP的选取 (4) 3.4驱动电路的设计 (5) 3.5采样电路 (6) 3.6保护电路 (6) 4 元件参数计算 (7) 4.1输出滤波电感L f、滤波电容C f的选取 (7) 4.2变压器的设计8 4.3功率开关的选择 (8) 5 仿真结果 (9) 5.1驱动波形 (9) 5.2功率开关器件两端的电压波形 (10) 5.3逆变器输出波形 (10) 6 结论 (11) 参考文献 (12)
1 设计要求 主要内容：利用倍频单极性SPWM 调制法究逆变器的调制方式，分析系统的稳定性和外特性，给出系统的硬件结构框图，设计系统各个部分的硬件电路，完成数字控制SPWM 逆变器的原理试验和仿真。 基本要求：输入电压：40～60VDC ；输出额定容量：1kVA ；输出电压：220V ±3%；输出电压频率：50Hz 载波频率：25kHz ；THD ：≤3%。 2 逆变器控制方式选择 传统逆变器的控制电路都是采用模拟电路和小规模数字集成电路实现的。随着信息技术的发展，数字控制技术在逆变电源控制领域已得到越来越广泛的应用。综合考虑系统性价比以及数字控制方式存在的问题，目前，部分数字化（CPU ）产生基准正弦，宽频带的电压调节器仍由模拟电路实现）不失为中小功率逆变器控制电路的优选方案。本文分别对两种模拟/数字混合控制方案进行了比较研究，分析了它们的设计与实现，给出了相关实验结果。 本章研究的混合控制方式，也是基于数字控制器的。利用DSP 取代纯模拟控制中的一些实现环节，如基准正弦发生器、输出过载保护、输出过压/欠压保护等，对于减小控制电路复杂程度、提高系统控制特性是有好处的。同时，混合控制方式也考虑了数字控制可能产生的一些问题，尽可能保留模拟控制的优点，仍采用模拟电路实现电压调节器，与全数字控制系统相比，提高了系统带宽频率和动态响应速度。可见，这种模拟/数字混合控制逆变器具有较高的性价比，在一些应用场合具有较大的优势。 根据PWM 控制信号的产生方式，常用的混合控制实现方案有两类：模拟/数字混合控制方案Ⅰ、模拟/数字混合控制方案Ⅱ。方案Ⅰ的实现框图如图1。 图1 混合控制方案Ⅰ的实现框图
一种新颖的SVPWM逆变器过调制技术原文：A novel overmodulation technique for space-vector pwm inverters 有问题请联系：翻译作者：buffalo3813@https://www.doczj.com/doc/1b14872695.html, DFIG实验室 摘要： 本文提出了一种新的空间矢量脉宽调制（PWM ）逆变器过调制技术。根 据调制指数（MI），过调制范围被分成两种模式。在模式I ，参考角 度是从对应MI的参考电压的傅立叶级数展开式中取得的。在模式二中， 保持角度也从相同的方式取得。从图形上容易理解，该策略产生输出电 压与MI是线性关系的，最大电压为6拍阶梯波的基波电压。角度与MI 的关系可查表或实时计算来分段线性化。此外，分析了输出电压的谐波 成分和总谐波失真系数THD。该方法被应用到感应电动机的V / f控制，实验证明了从线性控制范围到到6拍阶梯波模式的平稳过渡运行。 关键词： 傅里叶级数，变频器利用率，过调制，空间矢量PWM。
1 介绍 三相电压型脉宽调制（PWM）逆变器已被广泛地用于DC / AC功率变换，因为它可以产生一个可变电压，及变频电源。然而，它们需要一个死区时间来避免桥臂短路，缓冲电路来抑制开关尖峰。除了在这些辅助方面，PWM 逆变器还有一个重要的问题，它不能产生与6拍阶梯波一样大的电压。也就是说，直流母线电压不能被利用到最大。 为了提高正弦波PWM逆变器的电压利用率，提出了另外一个方法，在参考电压中加入3次谐波，通过这种方法基波分量可以提高15.5％[1]。被广泛使用的空间矢量PWM逆变器，电压利用率可提高到0.906，并可调制到6拍阶梯波[2]。另一方面，文献【3】分析了不同的不连续的PWM策略，其中a相位的调制波形一个基本周期中有一段至少60度，最多120，其逆变器桥臂开关没有发生动作，被钳位在正/或负直流母线电压。最近，有人表明，可以通过适当地加入了零序电压到调制波形得到不连续的PWM方案和空间矢量PWM[4]。通过注入零序电压，调制指数可以提高到0.906。 另一方面，提出了一些离线PWM方法来优化性能指标。使用这些策略，不仅任一特定的谐波分量可以被消除[5]和总谐波可以被最小化[6]，而且还可以得到逆变器的最大利用率。然而，由于它们的瞬态响应是缓慢的，所以它们很难被应用于高性能的电动机驱动器。增加逆变器的利用率没有引起极大的兴趣，直到最近文献【7】--【11】一些过调制方法被提出。Kerkman使用描述函数模拟变换器增益作为调制指数（MI）函数，加入到希望取得的基波电压的补偿调制系数从实际操作中近似取得。然而，近似逆变器模型给出了逆变器的非线性增益。在文献[8]和[9]，这种非线性特性通过一个简单的查找表抵消掉了。其结果是一个由PWM到6拍阶梯波操作的线性输入输出电压的传递函数。 文献【10】霍尔茨提出了在过调制范围的PWM逆变器连续控制。在这个方案中，根据调制系数有两种过调制模式。在模式I，但是，基本电压不能产生为恰好等于基准电压，因为六边形每个角附近的电压增量对基波电压贡献不同于六边
《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：
第三节空间矢量脉宽调制SVPWM控制法 1．3．1 电压空间矢量SVPWM技术背景 我们先来回顾一下交流异步电机的工作机理：三相平衡的交流电压在电机定子绕组上产生三相平衡的交流电流；三相平衡的交流电流在定子内腔产生一个幅值恒定的磁链，该磁链在定子内腔旋转，旋转的角速度与电源（电流）的角速度相同；旋转的轨迹形成一个圆形的空间旋转磁场；旋转磁场通过电磁力矩带动转子旋转，在电动机状态下，转子旋转的角速度低于旋转磁场的角速度：转差，转差提交流异步电机产生力矩的根本原因。 前面所讨论的SPWM技术是从电源的角度出发，来合成电机的激励源。由交流异步电机的工作机理我们想到：可不可以直接从动力源出发，来直接合成一个圆形的旋转磁场呢？如果可以，这样的控制方法显然更直接，效果应更好。 如何直接合成一个圆形的旋转磁场呢？ 对于交流电机，我们注意到以下的事实： 电机定子是固定的，不旋转的； 施加在定子上的电压是三相平衡的交流电：幅度相同，相位上彼此偏差120o； 自然地，我们想到：定义异步电机的三相定子绕组上的电压为平面上的一静止坐标系的三个轴，电机的相电压在各自的轴向上依正弦规律变化。见图2-1-10。 图2-1-10：相电压空间矢量图 由图2-1-10知，三个电压轴向量不同线性组合可以合成该平面上的任一个电压矢量u，即：
ππ34332201***j j j e A e A e A ++= 当三个电压轴向量对应于三相平衡交流电时，即：t U A m ωsin 1=， )32sin(2πω+=t U A m ，)3 4sin(3πω+=t U A m ，不难得到，所合成的电压矢量为： )sin (cos 2 3t j t U m ωω+= jwt m e U 2 3= 式（2-3-1） 由式（2-3-2）知，所合成的电压空间矢量具有以下特征： 电压矢量模（幅值）恒定； 电压矢量绕中性点旋转，旋转的轨迹是一个圆； 电压矢量绕中性点匀速旋转，旋转的角速度为ω； 电压矢量旋转的角速度与交流电源（电流）的角速度相同。 我们来看看电压空间矢量与空间旋转磁链之间的关系。 根据电机学理论，空间电流矢量，空间磁通矢量，电压空间矢量之间的关系为： dt d r i u ψ+=* 其中r *是电机绕组上的阻抗压降，在电机转速不是很低的情况下，通常可以忽略。于是上式可以写成： dt d ≈ 我们知道是一个空间旋转磁场：jwt m e ψ=， 于是=ψ=ψ≈+ππωωωω21)21(***)(j t j m t j m e e dt e d 式（2-3-2） 很明显，电压空间矢量，空间磁通矢量存在一维的线性关系，电压空间矢量的幅值（模）只与电机的角速度ω（转速）有关；相位上超前 π2 1。不难理解，这是由电机的电感属性引起的。 于是空间旋转磁场的特性可以用空间电压矢量的特性来等效。
SPWM调制算法与实现方法 SPWM （Sinusoidal Pulse Width Modulation）调制理论始于1975年，近年来，正弦脉宽调制技术（简称为SPWM技术）以其优良的传输特性成为电力电 子装置中调制技术的基本方式[5]。SPWM法就是以正弦波作为基准波（调制波）， 用一列等幅的三角波（载波）与基准正弦波相交，由交点来确定逆变器的开关模 式。这样产生的脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小。同时，根 据调制波波形的不同，还可以派生出许多方法，但着眼点都在于如何使变频器的 输出电压更好地获得三相对称的正弦波。 1. 两种SPWM调制算法 SPWM法的实现方式有多种，可以由模拟或数字电路等硬件电路来实现， 也可以由微处理器运用软硬件结合的办法来实现。用软件来实现SPWM法，实 现起来简便，精度高，现在已经被广泛采用，此时所采用的采样型SPWM法， 分为自然采样法和规则采样法。其中规则采样法又有对称规则采样法与不对称规 则采样法两种。 1.1 对称规则采样法 图2所示的即为对称规则采样法。这种方法是由经过采样的正弦波（实际上是阶梯波）与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。 图2 对称规则采样法 这种方法只在三角波的顶点位置对正弦波采样形成阶梯波。此阶梯波与三角 T内的位置是对称的。故称为对称规则波的交点所确定的脉宽在一个采样周期 C 采样。 由图2得出脉冲宽度为：
)t sin 1(2 e ωM T t C p += 式中：e t 为采样点时刻。 由上式可知采样点时刻e t 只与载波比N 有关，与幅值调制比M 无关，且e t =n T k ，k=0,1,...,N-1。在对称规则采样的情况下，只需知道一个采样点e t 就可以确定出这个采样周期内的时间间隔和脉冲宽度p t 的值。 1.2 不对称规则采样法 如果既在三角波的顶点位置又在底点位置对正弦波进行采样，由采样值形成阶梯波，则此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个三角波的周期内的位置是不对称的，如图3所示。因此，这样的采样方法称为不对称规则采样法。 图3 不对称规则采样法 由图3可得脉冲宽度为： )]t sin t sin (2 1[2t 2211p ωω++=M T C 在对称规则采样中，实际的正弦波与三角载波的交点所确定的脉宽要比生成的PWM 脉宽大，也就是说，变频器的输出电压比正弦波与三角波直接比较生成PWM 时输出的电压要低。而非对称规则采样法在一个载波周期里采样两次正弦波数值，该采样值更真实地反映了实际的正弦波数值，其输出电压也比前者高。但是由于采样次数增大了一倍，也就增大了数据的处理量，当载波频率较高时，微处理器的运算速度将成为一个限制因素。当然对于150MHz 的可处理浮点运算的DSP28335处理器来说不对称规则采样的计算不成问题。 从调制脉冲的极性看，PWM 又可分为单极性与双极性控制模式两种。 2.1单极性PWM 模式
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： t u o o U 0.25U 5 5 5 5 0.5U 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。
SPWM调制方法对比分析 浙江大学作者：李建林，李玉玲，张仲 摘要：对比分析了三种正弦波脉宽调制（SPWM）控制方法，指出各自的优缺点及应用，给 出了一些数学模型，并对基于载波相移的SPWM（CPS－SPWM）技术进行了较为详尽的分析。 关键词：正弦波脉宽调制；载波相移；载波相移正弦脉宽调制 1 引言 近年来，正弦脉宽调制技术（简称为SPWM技术）以其优良的传输特性成为电力电子装 置中调制技术的基本方式[5]。SPWM法就是以正弦波作为基准波（调制波），用一列等幅的 三角波（载波）与基准正弦波相交，由交点来确定逆变器的开关模式。这样产生的脉冲系列 可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小。同时，根据调制波波形的不同，还可以派生出 许多方法，但着眼点都在于如何使变频器的输出电压更好地获得三相对称的正弦波。本文对 比分析了SPWM的三种控制方法，建立了各自的数学模型，并给出了一些仿真结果。 2 正弦波脉宽调制(SPWM)[1][2][3] 2.1 采样法SPWM SPWM法的实现方式有多种，可以由模拟或数字电路等硬件电路来实现，也可以由微处理器运用软硬件结合的办法来实现。用软件来实现SPWM法，实现起来简便，精度高，现在已经被广泛采用，此时所采用的采样型SPWM法，分为自然采样法和规则采样法。其中规则采样法又有对称规则采样法与不对称规则采样法两种。 2.1.1 自然采样法 图1所示的就是自然采样法。它是将基准正弦波与一个三角载波相比较，由两者的交点决定出逆变器开关模式的方法。图1中，T t为三角波的周期，U r为三角波的幅值，正弦波为U c sinωt，T s称为采样周期，T s=T t/2，t1及t2为正弦波与三角波两个相邻交点的时刻。由图1可以得出 （1） 式中：M=U c/U r为正弦波幅值对三角波幅值之比，0 压控函数发生器的设计 目录 一、课程设计内容及方框图 (1) 1、课程设计内容 (1) 2、方框图 (1) 二、方案选择 (2) 三、框内电路设计 (2) （一）各框内电路独立设计 (2) 1、V ix的产生 (2) 2、跟随器： (3) 3、极性变换： (3) 4、积分器 (4) 5、比较反馈： (6) 6、非线性转换器：（即三角波-正弦波） (8) （二）方波-三角波 (10) （三）小结 (12) 四、总图调试 (12) （一）仿真过程 (12) 1、方波-三角波 (12) 2、三角波-正弦波 (13) （二）实验过程 (13) 1、方波-三角波 (13) 2、三角波-正弦波 (16) 五、参考文献 (16) 六、心得体会 (17) 附件 (18) 压控函数发生器设计实验报告 一、课程设计内容及方框图 1、课程设计内容 设计一个压控函数发生器，可以产生方波、正弦波和三角波。 要求：（1）输入为02V -的直流电压，对应输出010KHz -的函数。 （2）输出的三角波电压为4V ±；正弦波为2V ±；方波为010V -。 2、方框图 V 从积分器端输出的三角波：从比较反馈端输出的方波： 从非线性转换器输出的正弦波： 二、方案选择 函数发生器能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形，其电路中使用的器件可以是分立器件，也可以是集成电路，本课程设计主要研究由集成运算放大器与晶体管差分放大器组成的方波--三角波—正弦波函数发生器的设计方法。 产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或者方波变成正弦波，本课程设计中，采用先产生方波—三角波，再将三角波变成正弦波的电路设计方法。由积分器和反馈比较器分别得到三角波、方波，再将三角波输入差分放大器，利用差分放大器传输曲线的非线性特征得到正弦波。 三、框内电路设计 （一）各框内电路独立设计 1、ix V 的产生 对ix V 的要求为02V -的直流电压，故采用电阻电位分压方式产生，具体发生电路如图31-。 因为电源电压为12V ，故R15R2=，在此选取R1=5k Ω，21R K =Ω。 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 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 学院: 信息与通信工程学院 班级: xxxxxxxxx 学号: xxxxxxxxxx 班内序号: xx 姓名：大学霸 实验报告大纲 一、实验课题 二、实验要求 1.实验内容摘要及关键词 2.实验任务及设计要求 三、实验设计 1.设计思路及总体结构框图 2.元器件资料 3.分块电路和总体电路的设计 四、所实现功能说明 1.基本功能 2.扩展功能 3.探索环节 五、故障及问题分析 六、实验总结和结论 七、其他 1.PROTEL绘制的原理图（SCH）及印制电路板（PCB） 2.实验所用元器件及测试仪表清单 3.参考文献 一、实验课题 阶梯波发生器的设计与实现 二、实验要求 1.实验内容摘要及关键词 （1）实验内容摘要 本实验的目的是设计与实现一个阶梯波发生器。实验电路由窄脉冲-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，以及二极管形成的控制门等主要元器件，进行合理的改进组合，设计出阶梯波发生电路。实验用两个二极管分别作为阶梯波形成控制门和阶梯波返回控制门；通过调节相应的电位器，改变阶梯数、阶梯幅值、阶梯周期以及阶梯波周期等波形特性。 而且通过对该电路的适当改价，可以完成一个三极管输出特性测试电路。 阶梯波发生器还有多种设计方案，本实验将就其中一种进行研究。 （2）关键词 阶梯波、集成运放、窄脉冲发生器、迟滞电压比较器、积分器 2.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： 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。 Multisim设计报告 姓名: 田丹丹 学院: 机电与信息工程学院 专业: 电子信息科学与技术 班级: 2011级电子2班 学号: 201100800337 日期 2013年7月11日 指导教师: 李素梅、常树旺 山东大学威海分校信息工程学院 阶梯波信号发生器仿真设计 （一）题目设计要求，设计电路实现的功能、性能指标。 题目设计设计要求：设计一个频率可调、阶数可调的阶梯波发生器，在Multisim中进行仿真分析。 电路实现的功能：得到一个频率可调、阶数可调的阶梯波发生器。电路的性能指标：频率可调范围比较大，阶数可调的阶数范围合理，输出完美的平滑的无毛刺的阶梯波。 （二）设计方案 a.由时钟信号发生器、计数器和D/A转换器组成电路。 b.时钟信号发生器的信号频率可调，可采用压控振荡器或由555构 成的多谐振荡器。 c.计数器的进制数决定阶梯波的阶数，（所以可采用有预置数功能的 减法计数器，通过置数改变计数器的进制数。） d. D/A转换器将计数器的输出值转换为模拟电压。 e.通过低通滤波器使输出的波形变得平滑无毛刺。 （三）电路框图 时钟信号发生器（f可调）N 进制计数 器 D/A转换 器 N阶阶梯波 （四）电路原理图 从图中可以看出一共有四个部分 a.74LS161D构成的十六进制计数器， b.555构成的多谐振荡器， c.D/A转换器和低通滤波器。 1、74LS161D构成的十六进制计数器 电路采用74LS161十进制加法计数器构成的十六进制计数器。采用置数端归零的方法，清零端接高电平。 通过控制单刀双掷开关将A、B、C、D与高电平或低电平相连，DCBA表示的十进制数是15-N，N为输出阶梯波的阶数，即通过单刀双掷开关控制阶梯波的阶数。如，DCBA为0111时，即ABC接高电平，D接低电平，输出为8阶阶梯波。 2、由555构成的多谐振荡器电路图。 电源接通后，Vcc通过电阻R1、R2、R3向电容C2充电。当C2 两电平SVPWM 技术的基本介绍 一、两电平逆变器：设直流电压为U d ，以低压节点为零电位，若经过逆变器得到的PWM 波只有两种电平，即U d 和0，这种逆变器称为两电平逆变器，如下图所示。u a ，u b ，u c 为相电压，u ab 为线电压。 在所示的三相拓扑结构中，VT1~VT6以相隔600的电角度依次导通，每个IGBT 导通1800；任一时刻有三个IGBT 导通，并保证同桥臂的只有一个导通。（即VT5、VT6、VT1；VT6、VT1、VT2；VT1、VT2、VT3；VT2、VT3、VT4；VT3、VT4、VT5；VT4、VT5、VT6顺序）逆变器便可产生三相交流电。 二、电压矢量与磁链矢量轨迹 磁场磁链矢量与合成电压矢量的关系为t u dt iR u p p +ψ=-=ψ?0)((R 为绕组电阻，此式中R 忽略不计。) 当t=0时，0ψ=0，则有t u p =ψ，转换为极坐标表示，可有： θj Re =ψ（1-1），式中， R ——磁链幅值，ωL u R )3/2(=； L u ——逆变器输出线电压有效值； ω——给定角速度，f πω2=，f 是给定频率； θ——ψ与虚轴j 的夹角。 可以得出，p u 与ψ成正比，方向为磁链圆的切线方向。当ψ在旋转一周时，p u 连续按磁链圆的切线方向运动π2弧度，其轨迹与磁链圆重合，如下图所示。 SVPWM 技术（空间矢量脉冲宽度调制技术）：是通过控制电压的空间矢量，使磁链轨迹逼近圆形。所以，SVPWM 调制方式具有谐波分量小，转矩平稳，直流利用率高等优点。在调制中，开关器件的开通与关断时刻的选取原则是三相输出合成电压矢量保证电动机磁通轨迹为圆。 当逆变器按六拍方式运行时，设磁链ψ初始位置为A 点，此时逆变器输出电压矢量为u 3，按方向相同原则，磁链ψ沿着3u 方向，即AB 方向移动，当到达B 点时，若逆变器输出电压矢量为4u ，则ψ沿BC 方向移动。以此类推，逆变器输出为5u ，6u ，1u ，2u ，则ψ沿着CD 、DE 、EF 、FA 方向移动，从而形成逆时针旋转的正六边形，此时形成磁链轨迹并不是圆形，谐波分量较大。 逆变器波形质量分析 1课题来源 本课题为逆变器波形质量分析，旨在寻求高质量的脉宽波形，提高逆变器性能，来源于实际应用。 2 研究的目的和意义 2.1促进新能源的开发和利用 随着电力电子技术的迅猛发展，逆变技术广泛应用于航空、航天、航海等国防领域和电力系统，交通运输、邮电通信、工业控制等民用领域。特别是随着石油、煤和天然气等主要能源日益紧张，新能源的开发和利用越来越受到人们的重视。利用新能源的关键技术----逆变技术，能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化的直流电能变换成交流电能与电网并网发电。因此，逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。 2.2提高供电质量 国民经济的高速发展和国内外能源供应日益紧张，电能的开发和利用显得更为重要。目前，国内外都在大力开发新能源，如太阳能发电、风力发电、潮汐发电等。一般情况下，这些新型发电装置输出不稳定的直流电，不能直接供给需要交流电的用户使用。为此，需要将直流电变换成交流电，需要时可并入市电电网。这种DC-AC变换需要逆变技术来完成。 用电设备对市电电网造成严重的污染，反过来，被污染的市电电网也会使用电设备工作不正常，用电设备之间通过市电电网相互干扰。为解决此问题，必须提高市电电网的供电质量，以逆变技术为基础的电力有源滤波器和电能质量综合补偿器可以净化市电电网，使其为用电设备提供高质量电能。 逆变器是一种重要的DC/AC变换装置，而衡量其性能的一个重要指标就是输出电压波形质量，通过本项目的研究与实践，研究逆变器波形产生的方法、调制规律、以及其波形的评价指标，寻求高质量的脉宽波形的获得方法，对所学知识进行纵深挖掘，加深相关知识的理解。 3 国内外的研究现状和发展趋势 逆变技术的发展可以分为如下两个阶段： 1956-1980年为传统发展阶段，这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变 SPWM调制方法对比分析 大学作者：建林，玉玲，仲 摘要：对比分析了三种正弦波脉宽调制（SPWM）控制方法，指出各自的优缺点及应用，给出了一些数学模型，并对基于载波相移的SPWM（CPS－SPWM）技术进行了较为详尽的分析。 关键词：正弦波脉宽调制；载波相移；载波相移正弦脉宽调制 1 引言 近年来，正弦脉宽调制技术（简称为SPWM技术）以其优良的传输特性成为电力电子装置中调制技术的基本方式[5]。SPWM法就是以正弦波作为基准波（调制波），用一列等幅的三角波（载波）与基准正弦波相交，由交点来确定逆变器的开关模式。这样产生的脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小。同时，根据调制波波形的不同，还可以派生出许多方法，但着眼点都在于如何使变频器的输出电压更好地获得三相对称的正弦波。本文对比分析了SPWM的三种控制方法，建立了各自的数学模型，并给出了一些仿真结果。 2 正弦波脉宽调制(SPWM)[1][2][3] 2.1 采样法SPWM SPWM法的实现方式有多种，可以由模拟或数字电路等硬件电路来实现，也可以由微处理器运用软硬件结合的办法来实现。用软件来实现SPWM法，实现起来简便，精度高，现在已经被广泛采用，此时所采用的采样型SPWM法，分为自然采样法和规则采样法。其中规则采样法又有对称规则采样法与不对称规则采样法两种。 2.1.1 自然采样法 图1所示的就是自然采样法。它是将基准正弦波与一个三角载波相比较，由两者的交点决定出逆变器开关模式的方法。图1中，T t为三角波的周期，U r为三角波的幅值，正弦波为U c sinωt，T s称为采样周期，T s=T t/2，t1及t2为正弦波与三角波两个相邻交点的时刻。由图1可以得出 （1） 式中：M=U c/U r为正弦波幅值对三角波幅值之比，0压控函数发生器
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