階梯波發(fā)生器的設(shè)計與仿真.doc

學號：0704240213階梯波發(fā)生器的設(shè)計與仿真1. 實驗目的1） 掌握階梯波發(fā)生器電路的結(jié)構(gòu)特點。2） 掌握階梯波發(fā)生器電路的工作原理。3） 學習復雜的集成運算放大電路的設(shè)計。2. 實驗內(nèi)容設(shè)計一個能產(chǎn)生周期性階梯波的電路，要求階梯波周期在18ms左右，輸出電壓范圍10V，階梯個數(shù)5個。(注意：電路中均采用模擬、真實器件，不可以選用計數(shù)器、555定時器、D/A轉(zhuǎn)換器等數(shù)字器件，也不可選用虛擬器件。)對電路進行分段測試和調(diào)節(jié)，直至輸出合適的階梯波。改變電路元器件參數(shù)，觀察輸出波形的變化，確定影響階梯波電壓范圍和周期的元器件。3. 實驗過程1、 階梯波發(fā)生器實驗原理圖（圖中器件均有型號和參數(shù)值標注）2、 電路的工作原理。要設(shè)計一個負階梯波發(fā)生器，首先考慮產(chǎn)生一個方波，其次，經(jīng)過微分電路輸出得到上、下都有的尖脈沖，然后經(jīng)過限幅電路，只留下所需的正脈沖，再通過積分電路，實現(xiàn)累加而輸出一個負階梯。對應一個尖脈沖就是一個階梯，在沒有尖脈沖時，積分器保持輸出不變，在下一個尖脈沖到來時，積分器在原來的基礎(chǔ)上進行積分，因此，積分器就起到了積分和累加的作用。當積分累加到比較器的比較電壓時，比較器翻轉(zhuǎn)，比較器輸出正電壓，使振蕩控制電路起作用，方波停振。同時，這個正電壓使電子開關(guān)導通，積分電容放電，積分器輸出對地短路，恢復到起始狀態(tài)，完成一次階梯波輸出。積分器輸出由負值向零跳變的過程，又使比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，比較器輸出變?yōu)樨撝?，這樣振蕩控制電路不起作用，方波輸出，同時使電子開關(guān)斷開，積分器進行積分累加，如此循環(huán)往復，就形成了一系列階梯波。其原理框圖如下圖所示。3、 電路的分段測試波形和最終輸出的階梯波。1） 首先設(shè)計方波發(fā)生器電路方波發(fā)生器輸出波形如下圖所示：由以上兩圖可以讀出方波的周期為3.145ms,幅度為10.809V。2） 在方波發(fā)生器的輸出端接電阻R6、電容C2構(gòu)成微分電路微分電路輸出的尖脈沖波形如下圖所示：3） 設(shè)計限幅電路，將負半周的尖脈沖濾除掉。利用二極管的單向?qū)щ娦詠磉M行限幅。限幅電路輸出的單邊尖脈沖波形4） 設(shè)計積分累加電路，用集成運放組成的積分電路實現(xiàn)積分累加，在前面電路的基礎(chǔ)上連接積分累加電路如下圖所示。接入積分累加電路后輸出的波形5） 設(shè)計周期階梯波，在積分累加電路的基礎(chǔ)上加上電壓比較器和開關(guān)控制電路，就組成了完整的階梯波發(fā)生電路。輸出的階梯波形從以上兩圖中可以讀出周期性階梯波的周期為18.029ms左右；電壓變化范圍約為10.135V。4、 確定調(diào)節(jié)電路中哪些元器件值可以改變階梯波的周期或輸出電壓范圍。1） 首先進行理論分析，對于各個電路的輸出波形進行逐步分析。因為振蕩周期，改變(R10+R13)和C1的值顯然可以改變階梯波的周期，并且階梯波的周期與（R10+R13）C1成正比，與R1及R11的變化不成線性關(guān)系。再分析微分電路和積分電路，對于微分電路，由可知階梯波的高度與R3C2成正比；對于積分電路，由可知階梯波的高度與R5C3成反比。2） 再在理論分析的基礎(chǔ)上變化相關(guān)器件值并觀察波形的變化。分別取(R10+R13)=28.6Kohm,C1=62nF得到如下波形圖：可以看出波形的周期隨著(R10+R13)和C1的變化也在成比例的變化。若改變R1=53.6Kohm或R1 1=48.7Kohm可得波形圖如下所示：可以看出波形的周期隨R1及R11的變化而變化，但是無線性關(guān)系。如改變R3=5.62Kohm或C2=22nF可得波形圖如下：由上圖可以看出隨R3和C2的變化，階梯波的高度有明顯改變，電壓輸出范圍沒有變化。若改變R5=2.49Kohm或C3=30nF得到波形圖如下所示：由上圖可知，階梯波的高度隨著R5和C3的變化也發(fā)生改變，但階梯波的電壓輸出范圍幾乎沒有變化。根據(jù)以上的實際模擬所得波形圖，初步證明理論分析的猜測是完全正確的，下面通過改變其他元器件的值來確定其對波形周期或階梯波輸出電壓范圍的影響。附加說明：實際的模擬還說明，微分電路與積分電路對階梯波的周期也有一定的影響，這是因為改變微分電路或積分電路后階梯波的高度變化，使階梯波的個數(shù)發(fā)生了變化，從而影響到周期。故不認為這是 改變周期的主要因素。改變R2的值，若減小R2=1.47Kohm，周期變小而高度幾乎不受影響；若增大R2=28.7Kohm,周期變大且高度略有降低。從而判定改變R2的值對階梯波的周期和高度均有影響，而對電壓范圍影響不大。R2=1.47Kohm；R2=28.7Kohm；顯然改變R2和R9的值對電路并沒有太大影響，實際亦是如此，故不再考慮。對于比較器電路部分的三個電阻R8、R7、R12對階梯波周期和階梯波的輸出電壓范圍的影響分析如下：改變R8的值可以發(fā)現(xiàn)階梯波的周期和電壓輸出范圍均發(fā)生了變化，而階梯高度沒有明顯變化。當R8變化超出一定范圍會導致階梯波無法正常顯示。R8=8.66Kohm；改變R7的值同樣對階梯波的周期和電壓范圍均產(chǎn)生了影響，而且不影響階梯波的階梯高度。R7=18.7Kohm時；改變R12的值同樣既對階梯波的周期又對階梯波的輸出電壓范圍產(chǎn)生影響，并且不影響階梯波的階梯高度。改變穩(wěn)壓管D1、D2的穩(wěn)壓值會影響階梯的高度而對階梯波的輸出電壓范圍沒有影響。（具體波形變化不再給出）綜合以上分析可以得出結(jié)論：改變階梯波的周期的元器件為：（R10+R13）、C1、R1、R11；改變階梯波的輸出電壓范圍的元器件為：R8、R7、R12；同時發(fā)現(xiàn)改變階梯波的階梯高度的元器件為：R3、C2、R5、C3、D1、D2，同時R3、C2、R5、C3對階梯波的周期也有影響。4. 實驗感想和總結(jié)本次階梯波發(fā)生電路的調(diào)試工作花費了我很長時間，雖然說有設(shè)計好的電路作為參考，但是要調(diào)試出符合要求的波形：周期、階梯波的個數(shù)、電壓輸出范圍，主要是消除階梯跳變時的毛刺，至少使肉眼難以察覺，不是一件十分容易的事情。由于本電路由一系列基本電路組成，理論分析困難不大，可是在實際模擬時發(fā)現(xiàn)不確定因素很多，需要有耐心進行反復的試驗。所以最終調(diào)試出階梯