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 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

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。

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R3和电容C2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。示波器所得的输出波形为尖脉冲波形，如图5所示。

图4方波发生电路+微分电路

图5 尖脉冲波波形

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。利用二极管的单向导电性来进行限幅，电路如图6所示。示波器显示的单边尖脉冲如图7所示。

图6 方波发生电路+微分电路+限幅电路

图7 单侧尖脉冲波波形

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6所示电路的基础上连接积分累加电路如图8所示，打开仿真开关，可以得到积分运算后的输出波形如图9所示。

图8方波发生电路+微分电路+限幅电路+积分运算电路

图9 阶梯波波形

图10 阶梯波波形

至此，完整的阶梯波发生电路已经搭接完成，如图8所示。输出的阶梯波波形如图9

和图10所示，峰峰值为25.9V，每个阶梯宽度为3.9ms，阶梯数为6个。

6.详细实验步骤及实验结果数据记录（实验原始数据记录部分，具体数据见下方实验结论）

1、根据图2连接电路，并利用示波器记录阶梯波波形。

图11 实际电路连接

图12 方波波形（峰峰值12.1V，周期4.15ms）

图13 尖脉冲波波形（峰峰值22.5V，周期4.13ms）

图14 单侧尖脉冲波波形（峰值10.3V，周期4.23ms）

图15阶梯波波形（峰峰值27.3V，阶梯数6个）

2、改变元件参数确定其作用。 （1）只影响阶梯宽度的量。

1>保持其他部分不变，改变Rf的值，记录阶梯的宽度a，并判断Rf与宽度a的关系。

2>保持其他部分不变，改变C1的值，记录阶梯的宽度a，并判断C1与宽度a的关系。

3>保持其他部分不变，改变R2的值，记录阶梯的宽度a，并判断R2与宽度a的关系。

4>保持其他部分不变，改变R1的值，记录阶梯的宽度a，并判断R1与宽度a的关系。

（2）只影响阶梯高度的量（以下记录的阶梯高度为平均阶梯高度） 1>微分电路对波形高度影响

①C2的值会影响阶梯高度，当其余值保持不变，仅改变C2的值，测量阶梯高度，判断

其与阶梯高度的关系。

②R3的值也会影响阶梯高度，当其余值保持不变，仅改变R3的值，测量阶梯高度，判断其与阶梯高度的关系。

2>积分电路对波形高度影响

①C3的值会影响阶梯高度，当其余值保持不变，仅改变C3的值，测量阶梯高度，判断其与阶梯高度的关系。

②R5的值也会影响阶梯高度，当其余值保持不变，仅改变R5的值，测量阶梯高度，判断其与阶梯高度的关系。

③R6的值也会影响阶梯高度，当其余值保持不变，仅改变R6的值，测量阶梯高度，判断

其与阶梯高度的关系。

（3）同时改变阶梯波每个阶梯宽度a和高度的量

1>改变R4时，波形也会发生变化。改变R4的值，判断其与阶梯波电压高度和每个阶梯

a

7.实验结论

1、在考察阶梯波发生电路中方波发生电路对阶梯宽度a的影响时，发现当成倍增大Rf或C1的值时，阶梯波的阶梯宽度a的值增大，且与Rf或C1的值大致呈线性关系。而若只增大R2值，阶梯宽度a会增大，只增大R1的值，阶梯宽度会减小，但和R2或R1的值不是线性关系。

2、在考察阶梯波发生电路中微分电路对阶梯高度的影响时，发现若只增大C2的值，阶梯高度的值也会增大，且与C2的值大致呈线性关系。而若只增大R3的值，阶梯高度也会增加，但与R3并非呈线性关系。

3、在考察阶梯波发生电路中积分电路对阶梯高度影响时，发现若只增大C3的值，

阶梯高度会随之减小，经计算得，C3的值与阶梯高度大致呈反比。而若只改变R5或R6的值，阶梯的高度也会随之减小，但与R5或R6的值并不呈比例关系。

4、在考察阶梯波发生电路中同时影响阶梯宽度和阶梯宽度的量时，发现若只增大R4的

值，阶梯高度会随之减小，阶梯宽度会随之增大，但均与R4的值不呈比例关系。

综上，通过对以上数据的分析可见：

一、影响阶梯宽度的量主要有Rf、C1、R2和R1。通过查资料可得到理论上阶梯波的阶梯宽度a1.7RfC1ln(1

2R2

由理论公式可得Rf和C1与阶梯宽度呈线性关系，R2和)。R1

R1与阶梯宽度并非呈线性关系。而实际测量的值也与理论上的公式较为吻合。

二、影响阶梯高度的量有R3、C2、R5、R6和C3。根据微分运算电路和积分器运算电路的原理，理论上，阶梯高度与

C2R3

成线性关系。实际上，根据实验所测，对于电容

C3R6

来说，此关系正确，但对于电阻来说，此关系并不能准确刻画。其实这样的线性关系是忽略了阶梯发生电路中的单向限幅电路的影响。因此，对于本实验的阶梯波发生影响输出波形的主要是电容元件。

8.实验中出现的问题及解决对策

出现的问题： 1、本实验需要给μA741加±15V的直流电压，而实验室实验箱上的额定电压仅为12V。若将±15V直流电压直接加到实验箱上，可能造成实验箱内部直流信号源损坏。

2、由于阶梯波产生的时间非常短，为几十毫秒的级别，且并不呈现周期性。因此，若按照示波器开机时的默认扫描时间，则无法捕捉到产生的阶梯波。 3、实际实验中测出的阶梯波波形每个阶梯的高度略有差别，如果直接测最顶端阶梯的高度，得出的结果可能会有所误差。 解决对策

1、将导线直接与集成运放子板三根电源接线柱相接。 2、将示波器的扫描时间延长，直到接通电源后阶梯波能缓慢的在示波器屏幕上完整地显示出来即可。当示波器完整地在屏幕中出现时，锁定屏幕，再将扫描时间缩短，此时阶梯波波形便能较为理想地呈现在屏幕上。

3、用光标测量屏幕上显示出的阶梯波的峰峰值Vpp1，减掉小于一个阶梯高度的阶梯的峰峰值Vpp2。若阶梯个数为n，则最后得出的阶梯高度为V

Vpp1Vpp2

n

。

9.本次实验的收获和体会、对电路实验室的意见或建议 收获与体会：

在本次自主设计实验中，我经历了一个从查阅资料、设计实验到实际操作、数据分析

的过程，我对所学的模电理论知识有了更加深刻的理解，并且初步了解了模拟电路的设计，仿真以及调试的方法，并学会使用仿真软件multisim。

通过这次实验，我不仅提高了动手能力，还提高了独立思考能力和解决问题的能力，在实践中更好地体会了波形发生器的原理以及如何对输出波形各项指标进行调节，这也为以后的学以致用打下了基础。

意见和建议

1、结合理论课的进度安排实验课程。 2、对现有的仪器时常进行维护和检修。

3、将实验室的规模扩大，满足更多人的实验需求，提供更多自由实验的位置。 4、可举办更多类似电工电子设计大赛的比赛，提升同学们对实验的兴趣。

10．参考文献

[1] 孟涛.电工电子EDA实践教程.北京：机械工业出版社,2012. [2] 廉玉欣.电子技术基础实验教程.北京：机械工业出版社,2013.

[3] 张咏梅,陈凌霄.电子测量与电子电路实验教程.北京：北京邮电大学出版社,2000. [4] 王淑娟,蔡惟铮,齐明.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社.2009.

实验原始数据记录

教师签字：