阶梯波发生器实验报告.pdf

1电子电路综合实验设计电子电路综合实验设计 实验名称：实验名称：阶梯波发生器的设计与实现阶梯波发生器的设计与实现学院学院:信息与通信工程学院信息与通信工程学院 班级班级:xxxxxxxxx学号学号:xxxxxxxxxx班内序号班内序号:xx姓名：姓名：大学霸大学霸 2实验报告大纲实验报告大纲一、实验课题二、实验要求1.实验内容摘要及关键词2.实验任务及设计要求三、实验设计1.设计思路及总体结构框图2.元器件资料3.分块电路和总体电路的设计四、所实现功能说明1.基本功能2.扩展功能3.探索环节五、故障及问题分析六、实验总结和结论七、其他1.PROTEL 绘制的原理图（SCH）及印制电路板（PCB）2.实验所用元器件及测试仪表清单3.参考文献3一、实验课题一、实验课题阶梯波发生器的设计与实现二、实验要求二、实验要求1.实验内容摘要及关键词实验内容摘要及关键词（1）实验内容摘要）实验内容摘要本实验的目的是设计与实现一个阶梯波发生器。实验电路由窄脉冲-锯齿波发生器构成，通过将运算放大器的几个典型电路方波发生器、积分器和迟滞电压比较器，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，设计出阶梯波发生电路。实验用两个二极管分别作为阶梯波形成控制门和阶梯波返回控制门；通过调节相应的电位器，改变阶梯数、阶梯幅值、阶梯周期以及阶梯波周期等波形特性。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。阶梯波发生器还有多种设计方案，本实验将就其中一种进行研究。（2）关键词）关键词阶梯波、集成运放、窄脉冲发生器、迟滞电压比较器、积分器2.实验任务及设计要求实验任务及设计要求1、基本要求基本要求：1）利用所给元器件设计一个阶梯波发生器，阶500,3oppfHz UV数；6N 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的三极管的输出特性曲线束。43、探究环节探究环节：能否提供其他阶梯波发生器的设计方案？如果能提供，请通过仿真或实验对结果加以证明；探索其他阶梯波发生器的应用实例，给出应用方案。三、实验设计三、实验设计1设计思路及总体结构框图设计思路及总体结构框图设计思路要形成阶梯波，可以利用运放对负脉冲进行积分，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，还需要一个迟滞电压比较器。总体结构框图本实验中阶梯波发生器电路是由方波-三角波发生器与迟滞电压比较器构成。图 1 中，运算放大器 U1 构成迟滞电压比较器，U3 是积分器，U2 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 U2的同相输入端加入一个正参考电压，U2 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 的输入电压增加一个值。在台阶级数较少的时候，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 的同相输入端电压高于参考电压时，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。52.主要芯片参数及特性主要芯片参数及特性本实验中用到了 UA741 芯片，通过查找资料了解 UA741 的主要参数，管脚设置等。开始U2 同相输入端输入正参考电压二极管 D1 导通U3 对负脉冲积分U3输出电压上升U2输出负脉冲二极管 D1 截止U3 输入电位不变U3输出电压不变形成一个台阶U3正电压积分，输出电位下降U1 的同相输入端电位高于参考电压D2截止D2 导通N63.分块电路和总体电路的设计分块电路和总体电路的设计（1）电源电路的设计原理图：设计说明：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 515V。由图可知，当电位器移至上端时输出电压最7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(11zoNUWRRU15)1(21ZoMURWRU先确定稳压值 Uz;一般选择 Uz=UonX90%=5X0.9=4.5V。选择采样电阻中的最小电流 IR=1mA。得到电阻方程组：KIURWRRRoN5215)5.4()1(111RRRUWRRUzoN15)5.4()1(221RRURWRUZoM解方程组得：R1=500、R2=1.5K、W=3K。为了保证最大输出为 15V，整流输出 UoI15+3=18V，取滤波电路输出电压UoI=1.1UEF，则变压器次级输出电压有效值 UEF=UOI/1.1=18/1.1=16.4V，考虑到市电 220V 有 10%的波动，则 UEF16.4/0.9=18.2V（2）窄脉冲发生器的设计原理图：8设计说明：如果在方波发生器与积分器之间加上一个二极管 D1，使方波发生器与积分器之间只能导通负脉冲，那么方波发生器与二极管就形成了一个负脉冲发生器了。方波发生器由一个 LM741 运算放大器 U1、一个 0.01u 的电容 C1 和一个 100k 的电阻 R1 构成。电阻 R1 在电路中构成反馈网络，在这个运放的同相输入端加一个正参考电压，则 6 管脚输出方波，在负脉冲持续期间，二极管导通，将负脉冲送到积分器。由公式：1TNT11111121lnRmfmpUURURCRT11111221lnRmfmpUURURCRT1221221111141lnRmfmfppUURURRRCRT为阶梯波周期，为脉冲波周期，N 为阶梯数；为高电平持续时间；TT1T为低电平持续时间。2T由实验要求：N=6，f500Hz,Uopp3V带入以上公式，计算可得：T2ms,故取 T=2ms;则 T=0.29ms;取 Um=11V,则 R1=100k,C1=0.01uf;（3）积分器的设计原理图：9设计说明：为了对负脉冲进行积分，将负脉冲通过电阻 R2 从运算放大器 U2 的反相输入端输入，然后在 U2 的输出与反相输入端间搭建一个电容 C2,构成反相积分器。在负脉冲持续期间，负脉冲发生器中的二极管导通，积分器对负脉冲积分，U2 输出电压上升；负脉冲消失后，二极管截至，U2 输入、输出保持不变，形成一个台阶。每对一个负脉冲积分，U2 输出电压增加：22110222212TCononTUUdtUR CR C 其中，R2C2 为积分常数，Uo 为 U2 反相输入端的输入电压，T 为积分时间，即每个负脉冲存在的时间。为满足 Uopp3V，且阶梯数 N=6由以上公式计算可得 C2=0.01u,R2=100k（4）迟滞比较器的设计原理图：设计说明：比较器的反相输入端通过电阻 Rw3 加有参考电压，与基本的单项比较器相比，迟滞比较器通过 Rf3 引入了电压反馈。232332RRRuuuuRRRuuUUUonomonomomomththth根据实验要求，阶梯波一个周期中有 6 个阶梯，则将上下门限电压设为Uth+=12V,Uth-=0V。输出电压变化在 6V 以上，则参考电压用 10k 电位调节器Rw3，Rf3 取 50k,Rp3 为一个 22k 的电位调节器。并且，为了控制阶梯波返回时，返回时间小于一个台阶的产生时间，则还应取 R3 小于 R2，故取 R3 为10k.（5）扩展部分原理图原理图：10设计说明：在阶梯波发生器的基础上，设计一个三极管输出特性测试电路，在示波器可以观测到基极电流为不同值时三极管的特征曲线束。在阶梯波的一个的一个周期内，阶梯波每上升一个周期，相当于改变一次基极电流。对应于不同的基极电流。均有扫描电压。阶梯波电流的周期是电压周期的整数倍。每一个扫描周期，荧光屏上的光点从左到右和从右向左移动一次，描绘出一条曲线。每一个扫描周期结束时，阶梯波上升一级，荧光屏上的光点也相应跳跃一个高度，描绘出第二条曲线。以此类推，所以在示波器上能观察到晶体管输出特性束。bR窄脉冲发生器积分器示波器 XY阶梯波阶梯波锯齿波cR三极管的理论特征曲线束三极管的理论特征曲线束11四、四、所实现功能说明（已完成的基本功能和扩展功能，主所实现功能说明（已完成的基本功能和扩展功能，主要测试数据，必要的测试方法等）要测试数据，必要的测试方法等）（1）基本功能：）基本功能：在运放 U1 的输出端可以产生方波，且方波里包含负脉冲部分在运放 U2 的输出端可以测到阶梯波运放 U3 的输出端可以测到冲激波12上图阶梯波共 6 个阶梯，频率 f=575HZ，峰峰值 Uopp=8V，均符合要求。该电路是一个周期、幅度可调的阶梯波发生器，周期、幅度的调节主要通过电路正的电位器来实现;现将电路中各个电位器的作用说明如下:Rf1:主要用于调节窄脉冲发生器所产生的脉冲周期。通过对外加电源的分压，改变同相输入端参考电压，从而改变电容充放电的周期，脉冲周期也随之改变。Rp1:主要用于调节窄脉冲发生器所产生脉冲的占空比，阶梯波的频率。Rw3:用于调节阶梯波的峰峰值。原理是利用对反响输入端电压的分压作用，改变参考电压，从而与积分电路输出到同相输入端的电压相比较，控制阶梯波返回，即决定阶梯波的幅值。Rp3:作用与 Rw3 相似，但还可以在次基础上，通过对反馈电流的影响，调节阶梯数。以上各电位器在调节时，一般情况下是共同调节，综合起作用。主要测试数据：f=575.07Hz,T=1.740ms,T=1.740ms,T1=0.143ms,T2=0.051ms满足实验要求。（2）扩展功能）扩展功能阶梯波发生电路：提供随阶梯变化的基极电流。积分电路：提供集电极扫描电压。适当调节阶梯波发生电路，使阶梯电流的周期满足扫描电压周期的整数倍，13则可观测到较为规范的三极管输出特性曲线。电路搭建好以后，理论上可以做出来，但经过多次尝试示波器上也没有形成合适的特性曲线图（3）探索环节）探索环节通过图书馆，网络等途径，发现另一个阶梯波发生器的设计电路LM324 运放制作阶梯波发生器原理图：原理简述：上图是一种用电流型运放组成的阶梯波发生器实用电路。运放 A1 及外围元件构成矩形波发生电路，输出脉冲串。运放 A2 及其外围元件是积分-保持电路，其积分电容对输入的脉冲积分，并保持信输入脉冲的阶跃，在输出端得到的是各次阶跃的积累，即是阶梯波。运放 A3 是电压比较器。当阶梯波电压上升到电源电压的 80%左右时，A3 发生翻转。运放 A4 及其外围元件是单稳态电路，A3的翻转使其输出一个脉冲（约 100uFs），用来作为复位脉冲，使 A2 复位，从而14完成一个阶梯循环。五、故障及问题分析五、故障及问题分析搭建和调试电路板的过程中遇到的问题：1.第一次搭建电路板，由于没有很好的规划，布线乱七八糟，分配不均匀不美观。接通电源进行测试输出端没有任何信号，仔细检查后才发现是有地方太密，元件之间出现了短路，不仔细看都没法发现。于是把元件拆光，事先规划好每个模块所在的位置，在面包板上的布线，之后很轻松的就重新搭建好了电路，直观简洁，易于进行下一步调试。得到的教训是下次搭建电路我会做好准备工作，减轻每部分的难度，也容易差错。2.搭好电路板后，将输出波形介入示波器，有方波出现，而没有阶梯波显示，经检查，电路没有任何的错误。跟同学交流后得知，不止我一个人有这样的问题，他们也都遇到了类似的问题。后来询问一个其他班的同学才知道是因为电位器的阻值没调到合适的值，是输出的波形幅度非常小，看起来就像直流。四个电位器要配合调节，尤其是阻值变化范围较大的电位器，需要一点点耐心的调节，才能出现理想的波形。经过很长时间的调节，最终示波器中第一次出现阶梯波时，我们组的同学都感到很兴奋，经过几节课的努力总算看到了希望，后来大家互相帮忙也陆陆续续的成功了用 PROTEL 软件进行仿真的过程中遇到的问题Protel 软件功能很全面，但我之前对这么软件不是很熟悉，第一次在网上下载下来的版本好像有问题，安装过程中不断出现错误，之后换了另个版本才安装成功。画原理图我是按照书上给的步骤一步一步来的，过程还算顺利，就是有些元件找起来花时间，找不到的我就上网查所在的元件库，而且我还查到了一些 Protel 的使用技巧，方便了我的使用。系统自动生成的 PCB 板元件很长很细，像是个内存条，排列非常紧密，不够宽松。我参考了其他人已经做好的 PCB 图，把各个元件整齐地排列在板子上，比之前有了不少改观15六、实验总结和结论六、实验总结和结论结论：阶梯波发生器在电路测试和设计中有广泛应用，本实验说明可以用方波发生器，、积分器与迟滞电压比较器构成阶梯波实现电路。通过二极管的导通与截止形成控制门，配合电位器的调节，即可产生幅度、频率、阶数都适合的阶梯波，并且拓展成做了应用实例，如三极管输出特性测试电路。本次试验中的元器件的值都很敏感，只要稍微改变就可能影响波形，所以本次实验的重点是选好每个元器件的型号以及合适的取值。如果出了问题需要一级一级的分析，不能忽略每个微小的错误，可能会影响整个实验成败。没有出现理想的波形，也不要很紧张，多观察多分析，也许就差那么一点点，千万不要失去耐心。这次试验让我感受颇多，让我了解了从局部到整体的分析方法。总结：在这四周的时间里，我第一次接触了电子电路的综合性实验。经过各种纠结与挫折，周末都泡在实验室，看到示波器上终于显示了清晰且合适的阶梯波，努力付出得到了回报，心里无比愉快，同时我也从这次实验中吸取了教训，总结了经验。首先，做实验让我真切地明白了“心急吃不了热豆腐”的道理。相信其他同学刚开始和我一样，都有种做不出来誓不罢休的感觉，很着急做完，而连接电路正确但是出不来波形也一直查不出问题，心里就有些慌了，越慌就越找不出毛病。凡事要循序渐进，有合理的规划，才能得以实现。遇到问题耐心寻找问题并解决才是根本。如果能平静心态，像导线连错、器件没插好这种低级错误就可以避免，避免浪费不必要的时间其次，这次实验提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契。在实验过程中，我们组的五个同学互帮互助，遇到不懂的问题互相探讨研究，有时还互相交换面包板检查对方的电路是否搭建正确。在实验中大家发挥自己的特长，了理论知识较好的同学给他人讲解电路的工作原理，动手能力强的同学帮别人优化电路。通过这个实验，我们一方面夹生了对实验原理的掌握与灵活应用，另一方面也提高了自己的动手能力，对以后的实验都很有帮助。16最后，我明白了在课堂上学到的知道要熟练应用了才是真的掌握了，在课堂学到的抽象的理论有了具体的认识，这很重要。让我们了解自己所学，明确了我们未来的发展方向，使我们的学习动力更加充足。以后这样的实验还会不少，如何高效而成功的完成，这其中还有很多知识要去慢慢领悟，清晰明了。完成了大二这次的电子电路综合实验，我觉得我的实际动手操作能力游客明显提高，在电路课上学到的知识联系了实际，并学会了多种排除故障的方法。机枪了对系统的分模块搭建，分模块测试并修正的概念。实验也暴露了我的一些不足，我想我会吸取宝贵的经验，不断完善技能七、其他七、其他1.PROTEL 绘制的原理图（SCH）及印制电路板（PCB）实物连接图：电路板从左到右依次为窄脉冲发生器模块、积分电路模块、迟滞电压比较器模块和三极管输出特性曲线模块。电路基本上实现了实验要求里所提到的功能17PCB2.实验所用元器件及测试仪表清单18名称型号数量用途运算放大器UA741CN3形成窄脉冲发生器，积分器，迟滞电压比较器，提供相应的所需波形220K1用于调节窄脉冲发生器的周期和阶梯波的阶数 N22K1调节阶梯波的幅度电位器10K2调节阶梯波的中心幅度二极管2CP2控制单项导通的开关特性，防止反向击穿，保护电路电容103()0.01uF2用于积分电路100K210K250K1电阻30K1限流，防止电压过大，提供负反馈，充当保护电阻、负载电阻等三极管80501用于观察输出特性曲线面包板1用于搭载电路，充当电路的载体导线若干用于连接电路仪器名称型号用途直流稳压电源HT1712提供直流信号函数信号发生器提供扫描电压示波器CS4135显示波形193.参考文献（1）电子电路综合设计实验教程（北京邮电大学电子工程学院电路实验中心编）（2）电子测量与电子电路实验教程（北京邮电大学电子工程学院电路实验中心编）（3）电子电路基础（高等教育出版社 刘宝玲等 编著）