课题名称

阶梯波发生器的设计与实现

摘要

阶梯波是一种取值不随时间连续变化的信号，它的取值具离散性。当今这个数字时代，在一些实际应用中，由于阶梯波信号的数字特性而被广泛使用。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。

关键词

阶梯波，集成运放，电压比较器

设计任务要求

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≥3V,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。

设计思路

该电路是由方波－三角波发生器与迟滞电压比较器构成。运算放大器U1构成迟滞电压比较器，U3是积分器，U4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U4的同相输入端加入一个正参考电压，U4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输出才又恢复低电位D2截止，完成一个周期。

总体结构框图

分块电路和总体电路的设计

参数计算公式：T＝（N＋1）T’,

T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。

1、 窄脉冲发生器的设计

N为阶梯数。Um是脉冲波电压幅度，此电路中可由电源电压决定。Ur1取6V左右即可，为简化设计T1’和T2’的计算公式中，对数部分我们可以设为1，取R1＝100KΩ，根据已知的频率f可计算电容C的值。窄脉冲的宽度T2’可用220KΩ电位器来调节。

2、 积分器的设计

对负脉冲进行积分的时间常数为R2*C2，每积分一次C2获得的电压增量为

欲使0～11V之间有6个阶梯，?Uc2应该1.8V。取R2＝100KΩ，|Uon1|＝11.6V。

3 、迟滞电压比较器的设计

值得注意的是，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，输出电压可以从0V到11V，则上下门限电压可以设为Uth＋＝11V，Uth