课题名称：阶梯波发生器的设计和实现 院 系： 班 级： 姓 名： 班内序号：
目录
摘要： ....................................................................................................................................................................... 2 关键词： ................................................................................................................................................................... 2 实验任务 ................................................................................................................................................................... 3
1、基本要求： ............................................................................................................................................. 3 2、提高要求： ............................................................................................................................................. 3 3、探究环节： ............................................................................................................................................. 3
实验设计 ................................................................................................................................................................... 3
结构框图： ................................................................................................................................................... 3
1.阶梯波发生电路 ............................................................................................................................ 3 2.三极管输出特性测试电路： ........................................................................................................ 4
电路实现方案和原理： ............................................................................................................................... 4
1.阶梯波发生器方案和原理： ........................................................................................................ 4 a.脉冲发生器电路设计 .................................................................................................................... 5 b.积分器电路设计 ............................................................................................................................ 6 c.迟滞电压比较器电路设计 ............................................................................................................ 6 2.交流电转12v直流电源电路设计： ............................................................................................ 7 3.三极管输出特性曲线测试电路方案和原理：............................................................................. 8
电路特性仿真（orcad）： ............................................................................................................................ 8
1.脉冲发生器反馈电阻（R1）对波形的影响： ............................................................................ 8 2. Rf1对阶梯波的影响： .............................................................................................................. 10 3.Rp1对阶梯波电路的影响： ...................................................................................................... 11 4.Rp3对阶梯波电路的影响： ...................................................................................................... 13
5.Rw3对阶梯波电路的影响： ...................................................................................................... 14
电路测试与实现 ..................................................................................................................................................... 15
调试方法： ................................................................................................................................................. 15 电路实现： ................................................................................................................................................. 15
1.面包板搭建实现： ...................................................................................................................... 15 2.脉冲波输出波形： ...................................................................................................................... 16 3.阶梯波输出： .............................................................................................................................. 17 4.三极管输出特性曲线输出： ...................................................................................................... 17
故障、问题分析及解决： ......................................................................................................................... 18
总结与体会： ......................................................................................................................................................... 18 附录： ..................................................................................................................................................................... 19
1.元器件： .................................................................................................................................................. 19 2.仪器仪表： .............................................................................................................................................. 19 3.工具： ...................................................................................................................................................... 20 4.protel原理图 ............................................................................................................................................ 20
a.电源电路（单路12v DC） ......................................................................................................... 20 b.阶梯波发生电路（左）和三极管输出特性测试电路（右） ................................................... 20
5.PCB印刷 .................................................................................................................................................. 21
a.电源电路（单路12v DC） ......................................................................................................... 21 b.阶梯波发生电路及三极管输出特性测试电路........................................................................... 22
PCB板接口注释： ..................................................................................................................................... 22
参考资料： ............................................................................................................................................................. 23
摘要：
阶梯波是一种在电子电路中常见的波形，在无线电遥测、调频信号磁带记录以及数字电
压表中较为有用，产生阶梯波的方法很多。在模拟电路中常用运算放大器的组合形成方波-三角波发生器与迟滞电压比较器，并利用二极管、电容的电气特性来产生阶梯波。同时本实验中也设计了用于向运放提供直流偏置的12v直流电源电路。作为阶梯波的应用，该电路的输出波形可以用与测试三极管的输出特性曲线。
关键词：
阶梯波、脉冲发生器、积分电路、迟滞电压比较器
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实验任务
1、基本要求：
1）利用所给元器件设计一个阶梯波发生器， f ≥ 500Hz，Uopp ≥3，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 ）。
2、提高要求：
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极电流为不同值时三极管的输出特性曲线束。
3、探究环节：
1）能否提供其他阶梯波发生器的设计方案？如果能提供，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。
实验设计
结构框图：
1.阶梯波发生电路
二 窄脉冲发生器 极管 控脉冲波 制阶电源电路 梯形成 反相积分器 二极 阶梯波 管控 制阶梯迟滞电压比较器 返回 3
2.三极管输出特性测试电路：
为保证输出特性曲线显示清晰，应使阶梯电流源与锯齿波电压源同步变化。
锯齿波电压源 集电极
基极 阶梯电流源 电路实现方案和原理：
1.阶梯波发生器方案和原理：
三极管 示波器
该电路是由方波－三角波发生器与迟滞电压比较器构成。图 6-1 中，运算放大器U2构成迟滞电压比较器，U3是积分器，U1为窄脉冲发生器。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 U1的同相输入端加入一个正参考电压，U1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U2的输入，该值每增加一个台阶，U2的输入电压增加一个值。在台阶级数较少的时候，U2的同相输入端的电位比反相输入端的参考电压低，使U2输出低电平，二极管D2截止。随着台阶级数的增加，当U2的同相输入端电压高于参考电压时，U2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，U2输出才又恢复低电位D2截止，完成一个周期
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a.脉冲发生器电路设计
TN1T'
2Rp1UmTR1C1ln1
RUUf1mR1'12Rp1UmT2R1C1ln1Rf1UmUR1
'24RRRUmp1p1f1'TR1C1ln12 22RUUf1mR1T为阶梯波周期，T’为脉冲波周期，N 为阶梯数； T1’ 高电平持续时间；T2’低电平持
续时间。Um 是脉冲波电压幅度，此电路中可由电源电压决定。窄脉冲的宽度可以由Rf1调节。
由实验要求：N=6， f≧500Hz, Uopp≧3V
由公式，计算得：T≦2ms, 故取 T=2ms;则T’=0.29ms; 取Um=11V,
由T1’，T2’计算得：R1=10k, C1=0.01uf;
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b.积分器电路设计
对负脉冲进行几份的时间常数为
，每积分一次
获得的电压增量为：
Uopp≧3V，且阶梯数N=6。由以上公式，取C=0.01u, R2=100k较为合适 c.迟滞电压比较器电路设计
该电压比较器的参考电压加在反相输入端，在同相输入端加输入信号。根据要求，在一个周期中有6个阶梯，为使之方便调节，输出电压范围为0~6V较为合适，则上下门限电压可以设为Uth＋＝6V，Uth－＝0V。
参考电压可以用10kΩ电位器调节，或用固定电阻分压。为方便电路调节，Rf3可以是一50kΩ左右固定电阻加上一个22kΩ电位器。为了使阶梯返回时间小于一个台阶，R3应小于R2，所以取R3为10kΩ。
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2.交流电转12v直流电源电路设计：
如图，左端为有效值为220v的交流电压源，TX2为匝数比为15：1的降压变压器，D9~D12二极管组成桥式整流电路，C5为输入滤波电容，C6为输出滤波电容。LM7812C为集成三段稳压电路。
工作原理：220v交流电经TX2变压后输出15v左右交流电，再经D9~D12组成的桥式整流电路，得到全波整流波形。如下图
C5作为输入滤波电容，滤除全波整流后的高频分量，使输入电压变化相对平缓，如下图所示：
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LM3812C为集成三段稳压器，2端稳定输出12v直流。C6为输出滤波电容，用于消除输出电压可能有的毛刺。
两个12v直流电源即可组成阶梯波发生器的电源电路。 3.三极管输出特性曲线测试电路方案和原理：
ladder为阶梯波信号源Vs(0~6V)，Sawtooth为锯齿波信号源Vc(0~12V)。Vce out接示波器ch1，Ic Out接示波器ch2。
由于RB较大，由诺顿定理可知，三极管基极相当于接了一个微电流源，电流值： IB ≈ Vs / RB
又由Vs为阶梯电压信号，则IB 为步进电流信号。当锯齿波频率fc 约为阶梯波频率 fs的6倍时，在每阶阶梯处IB固定时可完成一次完整的电压扫描，使Vce周期连续变化一次，通过对RC上电压VRC的测量可以得到Ic的变化。从而得到IB不同时三极管的输出特性曲线。
电路特性仿真（orcad）：
1.脉冲发生器反馈电阻（R1）对波形的影响： R1 = 100K时：
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R1 = 50K时：
R1 = 20K时：
R1 = 10K时：
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由仿真可知：脉冲发生电路的反馈电阻通过影响脉冲频率从而控制阶梯波的阶数，而该电阻取值为10K左右波形比较合适。 2. Rf1对阶梯波的影响： Rf1 = 0.9时：
Rf1 = 0.6时：
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Rf1 = 0.3时：
可见调节Rf1可以明显增大阶梯波阶数，但是同时会降低阶梯波的频率 3.Rp1对阶梯波电路的影响： Rp1 = 0.9时：
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Rp1 = 0.6时：
Rp1 = 0.3时：
可见Rp1对阶梯波频率影响较大，同时对阶数也有一定影响。
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4.Rp3对阶梯波电路的影响： Rp3 = 0.9时：
Rp3 = 0.6时：
Rp3 = 0.3时：
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可见该电位器明显改变阶梯波的幅度同时对阶数和周期产生影响。该电位器调节不当将无法产生阶梯波。
5.Rw3对阶梯波电路的影响： Rw3 = 0.8时：
Rw3 = 0.5时：
Rw3 = 0.2时：
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可见Rw3主要调节阶梯波最低电位，同时对其他参数几乎没有影响。在三极管特性测试中应当调节这个电位器使最低电位到0附近。该电位器调节不当将无法产生阶梯波。
电路测试与实现
调试方法：
根据仿真和实验可知，各个电位器的作用：
Rf1(250kΩ)：该电位器用来调节矩形波的占空比、阶梯波的阶梯数和频率，而在调节的同时,不会改变阶梯波的幅度。
Rp1(10kΩ)：调节窄脉冲发生器所产生脉冲的占空比，调节阶梯波频率和阶数。而在调节的同时,不会改变阶梯波的幅度。其中Rf1比Rp1的对阶梯波电路影响更为明显。
Rp3(20kΩ)：该电位器主要用来调节阶梯波幅度的大小。同时也可以辅助调节阶数和频率。
Rw3(10kΩ)：用于调节阶梯波最低点电位。 注意：Rp3、Rw3调节不当将无法产生阶梯波。
由上述分析可得，在给定合适的Rw3的情况下，可以先调节Rp3，对调节阶梯波的幅度进行改变，在幅度达到要求的情况下，再继续调节Rf1和Rw3，使得频率和阶梯数达到要求。但在实际的调试过程中，四个电位器要配合使用，才可以达到最佳的效果。
经过单独测量各个电位器的左端与整体的阻值比，参数如下：Rf1: 0.5，Rp1: 0.4，Rp3: 0.5，Rw3: 0.3
电路实现：
1.面包板搭建实现：
橙色和黄色为普通连接线，白色为接地线，黑色的为负电源线，红色为正电源线
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2.脉冲波输出波形：
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3.阶梯波输出：
显然频率高于500Hz，阶数为6，幅度大于4V，满足基本要求
4.三极管输出特性曲线输出： Ib不同时Vce与Ic对应关系：
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故障、问题分析及解决：
初次搭建脉冲发生电路时，检测输出没有任何信号。检查连接和元件参数后问题依然存在。针对运放又重新查阅了uA741的器件手册，发现管脚对应错误，改正后得到了方波输出。
在阶梯波电路搭建完成后，其输出波形为一较大的直流。首先我检查的电路连接无误，其次检查了电位器、电阻、电容的参数，仍未发现问题。此时猜测可能是运放出现了故障，在更换相关的运放之后，出现了阶梯波雏形，又根据理推导减小了脉冲发生器反馈电阻的阻值，并调节电位器，得到了合适的波形。
再调节电路过程中，发现电位器旋钮调节很不方便，于是我借了一把小螺丝刀，大大提升了调试效率。
总结与体会：
经过半月努力，终于圆满完成了本次试验。这是我第一次接触并独立完成设计性试验。 不同于以往的实验，本次实验所给信息不多，许多设计和操作完全需要同学之间的配合和自己的摸索，当然这既是挑战又是锻炼我们的机遇，最终我们直面挑战，把握机遇。
本次实验体会最深的一点是工具合理应用的重要性。工欲善其事，必先利其器。好的工具可以事半功倍地完成任务。这次实验中我的工具既有硬件又有软件。实验初期电路尚未成型时，我使用的orcad做该电路的仿真，调试效率提高不少，通过软件上电路参数的调节，在电脑上得到了阶梯波的波形和相关器件的大致参数。并根据仿真参数搭建电路，很快在实
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验中出现了合适的波形。电脑上的色环电阻读数软件也让我为辨认电阻而省力不少。还有同学借给我的螺丝刀，让调节电位器十分方便。
还有我也认识到了怎样形成自己独立的判断，自主解决问题。以往做实验时出现故障我总是四处询问，按照别人的意见来做，没有自己的主见，结果也往往失败。这次实验中我完全依靠了自己独立的判断。比如在因运放的问题没有出现波形的调试中，我首先通过仿真结果断定电路设计没有问题，然后仔细检查电路连接确认无误，接着用万用表检查电位器、电阻、电容、二极管完好并参数合适，当然新面包板基本是不可能有问题的。剩下的未检查部分只有运放，更换运放后，果然出现了正确的波形。在与同学的讨论和帮助中我也明确给出自己的判断以及这些判断的原因。独立思考、自主判断，这培养了我以后成为工程技术人员的基本素质。
本次实验虽然已经结束，但对电子电路的学习远无止境。而实验带给我的知识、能力和素质，我将永远受用。
附录：
1.元器件： 名称 电位器 运算放大器 电容 二极管 三极管 型号 250K 10K 20K uA741 0.01uF 2CP10 s8050 200K 100K 50K 10K 8K 1K 0.3K 数量 1 2 1 3 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 电阻 2.仪器仪表：
名称 示波器 万用表 直流电源
数量 1 1 1 用途 显示输出波形和三极管输出特性曲线 测量电阻精确值，校准直流电源，测量电路各点电压 为运放提供2路±12V直流电 19
函数信号发生器 1 提供测试三极管输出特性曲线所需的锯齿波信号 3.工具：
名称 面包板 剥线钳 手钳 数量 1 1 1 4.protel原理图
a.电源电路（单路12v DC）
b.阶梯波发生电路（左）和三极管输出特性测试电路（右）
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5.PCB印刷
a.电源电路（单路12v DC）
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b.阶梯波发生电路及三极管输出特性测试电路
PCB板接口注释：
a板：
220v AC Input：交流220v输入 V Refulator：集成12V稳压器 12v DC Output：12v直流输出 b板：
VCC：+12V电源 VEE：-12V电源
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Ladder：阶梯波信号输出 Sawtooth：锯齿波信号输入
Ic out：集电极电阻电压输出（衡量Ic） Vce out：Vce电压输出
参考资料：
1.《电子电路基础》 高等教育出版社 刘宝玲主编
2.电子发烧友网www.elecfans.com：《几种常用的稳压源设计》3.《uA741数据手册》 Fairchild Semiconductor 4.《LM7812数据手册》 Fairchild Semiconductor
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