电子测量课程设计报告
电子测量课程设计
设计题目：锯齿波发生器
1、设计内容
设计一个锯齿波发生器，要求输出波形如下所示：
2、设计要求
① 周期要求如上图所示。 ② 锯齿波峰值大于10V。
3、元器件
① 4011一片； ② 电位器2个； ③ 9013 3个； ④ 电阻； ⑤ 电容；
4、考核标准
① 预习方案报告； ② 独立设计； ③ 独立调试； ④ 验收；
⑤ 设计报告；（含PCB图、原理图）
一、实验准备 1、元件资料 1）9013：
2）4011：
2、自举电路
自举二极管的作用，是利用其单向导电性完成电位叠加自举，二极管导通时，电容充电到U1，二极管截止时，电路通过电容放电时U1与电路串联叠加自举. 自举电路通常用在高压驱动的场合中，通常用一个电容和一个二极管，电容存储电压，二极管防止电流倒灌，频率较高的时候，自举电路的电压就是电路输入的电压加上电容上的电压，起到升压的作用。自举电路只是在实践中定的名称，在理论上没有这个概念。自举电路主要是在甲乙类单电源互补对称电路中使用较为普遍。甲乙类单电源互补对称电路在理论上可以使输出电压Vo达到Vcc的一半，但在实际的测试中，输出电压远达不到Vcc的一半。其中重要的原因就需要一个高于Vcc的电压。所以采用自举电路来升压。
二、设计原理 电路图:
实验电路图
PCB
三、实验原理：
该实验电路图共分为两部分：前面第一部分为矩形波产生电路。
用三个与非门通过RC反馈电路产生稳定的方波，通过调节R1可以调节方波的周期，由公式T=2.2RC=4.96ms，调节R，C的值，如电路图中所示，第三个与非门输出端通过电阻和电容与第四个与非门的输入端连接，当与非门3输出端为高电平时，通过电阻并联对电容充电，充电时间取决于与非门3高电平的时间，当与非门3输出端跳转为低电平时，电容只通过R4、R3电阻形成放电回路，由于放电回路时间常数（R3+R4）C2大于充电时间常数（R7∥（R3+R4））C2，所以电容放电时间较长，调节R7的值就可以调节电容C2的充电电压，从而改变与非门4输出端跳转时间。因此通过改变R7的电阻值可以改变电容的充放电时间，从而调节与非门4输出的矩形波的占空比。
后面第二部分为锯齿波产生电路，要使电容的充电电压为线性度良好的直
1线，由公式uc(t)=⎰i(t)dt得，电容的充电电流为恒值，即可得u(t)=kt，得到线
性度非常好的锯齿波。电路图如下所示
第一个三极管基极的输入端为占空比可调的矩形波。当与非门4输出为低电
平时，9013截止，电源经R8对电容C3恒流充电，取电容上端电压为输出电压；当与非门4输出跳转为高电平时，9013导通，由于9013饱和时输出阻抗很小，所以电容放电很快，故形成了很短的扫描回程。同时由于C4远大于C3，所以C4放电时间远大于C3，认为C4上的电压保持恒值，第二个三极管构成一个射级跟随器，所以基极和射极的电压相等，这样C4两端的电压就是电位器R8两端的电压，因此电位器R8两端的电压保持不变，就保证了电容上的充电电流不变，由
uC(t)=
1C
⎰i
C
(t)dt
知，电压上升过程为斜率不变的直线。
电源通过R8对电容充电，此段时间为积分时间，积分时间的长短取决于矩形波低电平的时间，因此通过调节电位器R7的接入的电阻值就可以改变锯齿波的积分时间。调节电位器R8就可以调节输出电压的幅值。
四、实验电路分析及NI Multisim 10仿真 Multisim仿真中示波器的输出波形
与非门4输出的矩形波
调整R7减小占空比后的矩形波
保持Vdd>10v减小占空比后的锯齿波
调节R7与R8增大占空比后的锯齿波
分析：由图可以看出当调节R8小于15%，即小于1500 时，产生锯齿波的峰值过大，出现顶部削波现象。这是由于夹在三极管两端的电压过大，三极管出现截止失真导致。
五、实验设计制作及调试 ①．设计制作过程：
该电路连接共分为两部分：第一部分为矩形波产生电路；第二部分为锯齿波产生电路。
矩形波产生电路：用三个与非门通过RC反馈电路产生稳定的方波，根据题目已知的周期计算出所选用的R,C；第三个与非门输出端通过电阻和电容与第四个与非门的输入端连接，当第三个与非门输出端为高电平时，通过两电阻并联对电容充电，充电时间取决于并联电阻与电容的阻值，由于二极管的单向导电性，放电回路时间常数大于充电时间常数，所以电容放电时间较长，第三个与非门输出电压降低到第四个与非门输入低电平门限电压所需的时间就比较长，因此改变可以改变电容的充放电时间，从而调节第四个与非门输出的高电平的时间（矩形
波的占空比）。
锯齿波产生电路：输入端为占空比可调的矩形波，高电平时可使9013截止，电源对电容充电，积分电路产生锯齿波，同时由于C4远大于C3，所以C4放电时间远大于C3，认为C4上的电压保持恒值，第二个三极管构成一个射级跟随器，所以基极和射极的电压相等。这样C4两端的电压就是电位器R8两端的电压，因此电位器R8两端的电压保持不变，就保证了电容上的充电电流不变，由
u(t)=V
c
*T
知，电压上升过程为斜率不变的直线。 C*R8
DD
电源通过R8对电容充电，此段时间为积分时间，积分时间的长短取决于矩形波低电平的时间，因此通过调节R7的接入的电阻值就可以改变锯齿波的积分时间。调节R8就可以调节输出锯齿波的幅值。 ②．实验制作及调试：
在实验室连接时我们把这两部分分开连接并测试，最后将两部分分开连接并测试，得到最终的锯齿波波形。主要原因是这样连接电路较简单，出现问题可以及时查找原因进行改正。 连接过程中第一部分，调节RC的值R1=4.8K，C1=470u，得周期为4.96ms≈5ms。第二部分调节过程出现的问题主要是：锯齿波的线性度和幅值问题，在老师的指导下，我们采用自举电路产生线性度好的锯齿波，在保证线性度非常好的前提下适当调节R7使锯齿波峰值大于10V。
六、设计中遇到的问题及解决办法
在整个设计过程中，我也遇到了一些问题。
1. 仿真过程中，先使用的是multisim11.0版本，原件库里没有 9013.
解决办法：上网查找了和9013特性相近的原件2N2222来代替9013进行仿真。 后来用multisim10.0 找到9013仿真，结果几乎没有差别。
2. 在面包板上插电路的时候，第一次由于元件的布局不合理，还有导线的长度
也选择不当，是的整个查出的电路显得很乱，出来的矩形波也是错误的。 解决办法：重新布局，将锯齿波电路和矩形波发生电路分成两片区域，这样方便查电路，电路看起来也整齐。
3. 电路连接完成后，可以看到由第三个与非门输出的矩形波，可是9013输不
出锯齿波。
解决办法：用万用表一点一点测点位。之后查出是接地问题。因为采用的是全板公用一个地，用面包板上竖排的五组孔作为地。可是发现，上电后五孔中电位不一样。用导线将电位连低，波形正确出现。
七、总结及感想
通过本次的电子测量课程设计，我掌握了PROTEL软件的应用，学会了用该软件画PCB。体会了模块化的设计理念，整个过程中，我的动手能力得到了很大的提高，本次的课程设计电路并不复杂，功能也相对简单。
首先，我上网查找到产生锯齿波的原理。之后，找到了所使用的原件4011B,还有9013的原件资料，了解了各个元件的基本知识。然后，根据题目的要求，分块设计了矩形波产生电路和锯齿波发生电路。最后，在multisim中进行了仿真。
在确定仿真正确的前提下，将整个电路分模块搭接出来，逐步完善功能。在应用面包板的工程中，我明白了合理的布局对整个电路连接的重要性，经过了三次的重插面包板，终于在示波器上看到了期待已久的波形。
整个设计结束，我感触最深的有两点：一是万用表是个好东西。设计过程中，我们多次出现电路连接没文帝出不了波形。利用万用表测出不同点的电位，与理想的电位相比较。这样就找出了具体是哪一点除了问题。调试中我们还遇到，电位器不管怎么调，波形的占空比和幅值都没有变化。利用万用表测电阻。10K的电位器测得电阻显示无穷大。原来是电位器被拧太多转，拧坏了。更换了电位器，占空比和幅值都可以调整了。没有万用表，几乎是想不到连电位器也会出问题。二是，电路的模块化搭建很重要。由于刚开始插电路很乱。导致浪费了很多时间。将电路模块化设计和连接，对于查找问题以及合作设计都有很大作用。