阶梯波形发生器
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实验四 阶梯波发生器电路的设计
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）学习复杂的集成电路运算放大电路的设计。
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、阶梯波发生器实验原理
首先由一个方波电路产生方波，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，再通过积分电路后，因脉冲作用时间很短，积分器输出就是一个负阶梯。对应一个尖脉冲就是一个阶梯，在没有尖脉冲时，积分器的输出不变，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，积分器就起到了积分和累加的作用。当积分累加到比较器的比较电压，比较器翻转，比较器输出正值电压，使振荡控制电路起作用，方波停振。同时，这正值电压使电子开关导通，使积分电容放电，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，同时使电子开关截止，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。
四、分段电路图及原理分析
1.方波发生器：
方波发生器由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。其中，RC既作为延迟环节，又作为反馈网络。方波振荡周期41132RT=2RCln(1+)R，阈值电压4TZ43RU=UR+R。因此，调整电路中的4R、3R可以改变方波的振荡幅度，调整1R、1C、43RR可以改变振荡周期，其中1R、1C与T成正比关系。
预期目标，方波周期应为2.6ms：
方波发生电路输出波形 所得周期为2.628ms。
2、微分电路
方波发生器电路图的基础上接上5R和2C组成的微分电路就得到尖峰脉冲产生电路。
方波发生电路加微分电路
微分电路输出尖脉冲波形 3、限幅电路：
限幅电路，目的是将负半周的尖脉冲滤除。利用二极管的单向导电性来进行限幅。
方波微分限幅电路
限幅电路输出波形
4、积分累加电路：
用集成运放组成的积分电路实现积分累加。
方波微分限幅积分电路
积分电路输出波形
5、阶梯波发生电路
以上加上电压比较器和控制电路，就组成了完整的阶梯波产生电路。对电路的各个元件数进行调整，从而得到满足要求的阶梯波。（此时的电路部分元件已调整，数值与前面电路有所不同）
阶梯波发生器电路
阶梯波波形
可以读出周期性阶梯波的周期为17.857ms左右，输出电压范围为9.630V，阶梯数5个，满足实验要求。
五、影响阶梯波电压范围和周期的元器件分析
1.方波发生电路中元件的影响分析
（1）R2:
R2为1KΩ时的输出波形: R2为10KΩ时的输出波形:
由此可以看出改变2R后阶梯波周期与阶梯个数都有影响，对于阶梯波电压范围没有影响。阶梯波周期与阶梯个数随着2R增大而增大。
（2）1C与1R
1C为50nF时的输出波形 1C为100nF时的输出波形
1R为60.4KΩ时的输出波形 1R为121KΩ时的输出波形
可以改变1C、1R后阶梯波周期改变，对于阶梯波电压范围与阶梯个数没有影响。阶梯波周期与1C、1R成正比。
R4和R3
4R为28.7KΩ时的输出波形 4R为14.3KΩ时的输出波形
3R为49.9KΩ时的输出波形 3R为100KΩ时的输出波形
可以改变4R、3R后阶梯波周期改变，对于阶梯波电压范围与阶梯个数没有影响。阶梯波周期随着4R增大而增大、3R增大而减小。
由公式41132RT=2RCln(1+)R可知其与周期不成正比关系。
（4）稳压管
稳压管4V的输出波形 稳压管1N750A的输出波形
2.微分电路中元件的影响分析
（1）2C
2C为50nF时的输出波形 2C为300nF时的输出波形
可知改变2C后阶梯波周期与阶梯个数都有影响，对于阶梯波电压范围没有影响。阶梯波周期与阶梯个数随着2C增大而减小。
（2）5R
5R为1.69KΩ时的输出波形 5R为3KΩ时的输出波形
可知改变5R后阶梯波周期与阶梯个数都有影响，对于阶梯波电压范围没有影响。阶梯波周期与阶梯个数随着5R增大而减小。
3.限幅电路中元件的影响分析
限幅电路仅由二极管构成，改变二极管对阶梯波波形有影响，会影响阶梯波周期与个数。
另限幅电路若加一电阻6R，则也会有影响，但是由于电路中未用，故不做讨论。
二极管为1N914时的波形 二极管为1N5820时的波形
4.积分电路中元件的影响分析
（1）积分电路中电阻6R的影响
6R为15KΩ时的输出波形 6R为30KΩ时的输出波形
可知改变6R后阶梯波周期与阶梯个数都有影响，对于阶梯波电压范围没有影响。阶梯波周期与阶梯个数随着6R增大而增大。
六、分析结论
1.调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的周期？
2R增大而增大、与1C、1R成正比、4R增大而增大、3R增大而减小、2C增大而减小、5R增大而减小、6R增大而增大、3C增大而增大、9R增大而减小、8R增大而增大、7R减小而减小（增大影响输出）。另二极管、稳压管、场效应管等元件也有影响。
2.调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的输出电压范围？
9R增大而减小、8R增大而增大、7R减小而减小（增大影响输出）。另二极管、稳压管、场效应管等元件也有影响。
