利用六进制触发器的阶梯波发生器的设计与实现

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。

阶梯波发生器的设计与实现实验报告姓名：林影班级：07606 学号：071907 班内序号：26摘要：本实验主要用了三个运算放大器来实现阶梯波的发生，其中一个作为迟滞电压比较器，一个作为窄脉冲发生器，还有一个作为积分器。

窄脉冲发生器形成方波后，通过一个二极管使积分器对其中的负脉冲部分进行积分，形成阶梯波。

阶梯波的周期由迟滞电压比较器来控制，随着积分器的输出电压不断增高，迟滞电压比较器的会从输出低电平变为输出高电平，这时积分器输出电压会下降，当输出电压值降到迟滞比较器的下门限电压时，完成一个周期。

关键词：负脉冲积分反馈设计任务要求：基本要求1.利用所给元器件设计一个阶梯波发生器，f >= 500HZ, U opp >= 3V,阶数N=6；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）。

提高要求1.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本电流为不同值时三极管的输出特性曲线束。

探究环节：1. 能否提供其他阶梯波发生器的设计方案？若能，请通过仿真或实验结果加以证明;2．探索其他阶梯波发生器的应用实例，给出应用方案。

设计思路：要形成阶梯波，可以用一个运算放大器对负脉冲进行积分，因此需要设计一个积分器；要发生负脉冲，还需要一个负脉冲发生器；最后，为控制阶梯波能达到的高度和阶梯波的周期，需要一个迟滞电压比较器。

总体结构框图如下。

总体结构框图分块电路设计下面就依次对负脉冲发生器、积分器、迟滞电压比较器进行设计。

1.电源电路（原理图在14页PROTEL 绘制的原理图中有）电源电路包括整流、滤波、稳压等部分组成，各个部分的设计可以根据稳压的不同得到不同的结果，这里我们需要稳压到12V 。

该电路的设计思路是设计一个电压可调的电路，范围5~15V 。

由图可知，当电位器移至上端时输出电压最小，Uon=5V ；当电位器移至最下端时输出电压最大，Uom=15V ，故得到以下的式子：5)1(11=++=z oN U WR R U15)1(21=++=Z oM U R W R U 先确定稳压值Uz;一般选择Uz=UonX90%=5X0.9=4.5V 。

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。

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。

阶梯波的设计一、性能指标设计一个频率可调、阶数可调的阶梯波发生器，在Multisim 中进行仿真分析。

二、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，可采用压控振荡器或由555构成的多谐 荡器。

3，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。

4，D/A 转换器将计数器的输出值转换为模拟电压。

三、设计计算1，总体方案电路原理图2，单元电路设计（1） 可置数计数器７４１６３功能表：计数器芯片74163的CR 是清零端，当CR 为1时，将清零，LD 是置数端。

清零时LD 为0，不使置1以保证清零可靠进行。

当给计数器的秒个位CP0端施加脉冲信号时，开始计数，输出端QA ～QD 将结果输出给D/A 转换器。

当输出结果是1111时，将Q1，Q2,Q3，Q4的高电平通过与非门后的结果0再通过非门后的结果高电平接到ＬＤ上，计数器自动清零。

在输入端Ａ～Ｄ端，通过双向开关（一端接高电平VCC ，一端接低电平），采用预置数功能，调节置数，可以改变计数器的计数初始值，从而实现计数器的进制可调。

预置数功能实现如下图N 阶阶梯波可置数计数器如下图：（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：通过调节R2接入阻值，改变频率如下图所示（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。

阶梯波发生器的设计与仿真一、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、实验元件741集成运放（3个）、J210结型场效应管（1个）、15V直流电压源（4个）、5V稳压管（2个）、二极管（3个）、100nF电容（1个）、51nF电容（2个）、75KΩ1%电阻（1个）、2KΩ5%电阻（4个）、1KΩ5%电阻（4个）、10KΩ5%电阻（1个）、30KΩ1%电阻（1个）、3KΩ5%电阻（1个）、万用表、示波器等。

三、实验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，只留下所需要的正脉冲，再通过积分电路，实现累加而输出一个负阶梯。

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，积分器就起到了积分和累加的作用。

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，这样振荡控制电路不起作用，方波输出，同时使电子开关断开。

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。

其原理框图如下图：图1 阶梯波发生原理框图四、实验内容1、实现方波发生器设计一个方波发生器，设计电路原理图如图2:图2 方波发生器电路原理图打开仿真开关，便可以得到方波的输出波形见图3。

图3方波发生器的输出波形从图3中可读出方波的周期为4.109ms，幅度为4.736V。

黄线为电容C1两端电压的变化曲线。

通过实验，可以得到：增大反馈电阻R4，会使得输出方波周期变小，而增大R1、R2则会使输出的方波周期变大。

而方波的输出幅度则是由安装的一对5V稳压管决定的。

电子电路综合设计实验实验6信息工程阶梯波发生器的设计与实现实验目的通过实验进一步掌握集成运放和电压比较器的应用。

进一步工程设计和实践动手能力，建立系统概念。

实验摘要阶梯波发生器是一个方波-三角波发生器与迟滞电压比较器够成。

阶梯波是一种特殊波形，在一些电子设备及仪表中用处极大。

本实验电路由方波——三角波发生器与迟滞电压比较器构成。

通过运算放大器，积分器，窄脉冲发生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，从而设计出了阶梯波发生电路。

实验用两个二极管作为控制门，一个是阶梯波形成控制门，另一个是阶梯波返回控制门，控制阶梯波的周期。

调节相应电位器的阻值就能改变阶梯数、阶梯幅值和阶梯周期。

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。

实验关键词阶梯波脉冲集成运放阶数实验原理该电路是有方波-三角波发生器与迟滞电压比较器够成。

第三个运算放大器U1够成迟滞电压比较器，第二个U3是积分器，第一个U4是窄脉冲发生器。

两个二极管，其中D1是阶梯形成控制门，D2是阶梯返回控制门。

由于U4的同相输入端加入一个正参考电压，U4输出为负脉冲。

在负脉冲持续期间，二极管D1导通，积分器U3对负脉冲积分，其输出电压上升。

负脉冲消失后，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，该值每增加一个台阶，U1的输入电压就增加一个值。

在台阶级数较少时，U1的同相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同相输入端电压高于参考电压的时候，U1的输出跳变至高电平，D2导通，积分器进入正电压积分，使U3输出电位下降，直到U3输出电压降至迟滞比较器的下门限电压时，U1输出才恢复低电位D2截止，完成一个周期。

设计任务要求基本要求、利用所给元器件设计一个阶梯波发生器，f>>500Hz，Uopp>>3V，阶数N=6、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）。

阶梯波发生电路摘要：在实用电路中，除了常见的正弦波外，还有矩形波、三角波、锯齿波、尖顶波和阶梯波。

其中阶梯波在电子测量和自动控制系统中，可以作为时序控制信号和多极电位基准信号，有着广泛的用途。

产生阶梯波的方法也比较多，可以通过一些数字元件如计数器和D/A 转换器构成，也可以通过模拟电路中一些基本的波形发生和变换电路组合而成，本文主要使用模拟电路的方法介绍各个模块的功能以及不同参数对电路的影响。

关键词：阶梯波组成模块参数调整一、整体思路介绍如图所示，为了得到阶梯波，考虑先产生矩形波，对矩形波进行微分运算，将其变换为尖顶波，为了后面得到稳定的阶梯波形，微分电路的电容值尽可能取的小一点，这样得到的尖顶波就可以近似的看成尖峰脉冲，这种尖顶波有正有负，所以通过精密整流电路使其变换为只有上半部分的尖顶波。

积分电路采用反向积分，即得到的阶梯波的电压值为负，如果想要得到电压值为正的阶梯波，可以采用正向积分电路。

每一个尖峰脉冲对应一个阶梯，随着积分时间的增长，积分电路的输出电压逐渐下降，当下降到滞回比较电路的阈值电压时就使电子开关导通，对电容放电，积分电路输出变为零，对输入的尖峰脉冲重新积分，同时使滞回比较器翻转，电子开关断开，如此周而复始，就可以产生周期性的阶梯波。

二、不同模块的功能介绍1、矩形波发生电路 电路图如下所示：输出端选用稳压值为5V 的稳压管，从理论上来说输出电压的幅值V Uz Uo 5=±=阈值电压V Uz R R R U T 5.2433±=+±=设某时刻电容充电的起始值为T U -，终了值为T U +，时间常数为11C R ，利用一阶三要素112/][C R T T T eUz U Uz U ---+=解得周期为)21ln(24311R R C R T += 带入如图所示的数据得ms s T 197.210197.23=⨯=-进行仿真验证如下Uo1输出的矩形波的幅值并非5V 而是5.6V ，说明稳压管的稳压值不是标注的5V ，而是5.6Ｖ，阈值电压近似为２.8Ｖ符合理论推导的公式。