毕业设计76北京邮电大学电子电路综合实验

电子电路综合实验

阶梯波发生器设计与实现

阶梯波发生器设计与实现

一 中英文摘要及关键词：

中文摘要：

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。本次

实验是利用运算放大器组合，利用二极管单向导通特性，设计一个阶梯波发生器。

由方波-三角波发生器与迟滞电路比较器实现了一个阶梯波发生器

关键词：

阶梯波、运算放大器、迟滞电压比较器

Abstract of ladder waveform generator design experiment：

Ladder waveform is a signal who values change almost discretely.

Nowadays it’s a digital era，step signal is widely ud in many practical

ways，This experiment design a ladder waveform generator by diode

characteristic and combinations of operation amplifiers.

Key words:Ladder Waveform , Operation Amplifier ,

Hysteresis Voltage Comparator

二 实验目的：

1 通过实验进一步掌握集成运放和电压比较器的应用

2 进一步增强工程设计和实践动手能力，建立系统概念

三 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勃发生器，f>=500Hz,Uopp>=3V,阶梯N=6.

２)设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL绘制完整的电路

原理图(SCH);

２ 提高要求：

１)用PROTEL绘制完整的印制电路板图(PCB);

２)在接替勃发生器的基础上，设计一个三极管输出特性测试电路，在示波器

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)提供其他阶梯波的设计方案，（通过仿真或实验结果加以证明）；

２)探究其他阶梯波发生器的应用实例，给出应用实例。

四 设计思路、总体结构框图：

阶梯波发生器可以分为三个模块设计三个模块都要用到都是集成运算放大器

1 窄带脉冲发生器 2 积分器 3迟滞比较器

仔细阅读试验原理及要求

分块设计阶梯波发生器

窄带脉冲发生器 积分器 迟滞比较器

计算电阻电容等器件参数

计算机仿真

若波形不符合则重新计算参数

在电路板上搭建电路

认真检查连接保证正确

实验室实际调试

五 阶梯波发生器分块电路和总体电路的设计：

T为阶梯波周期 T＝（N＋1）T’,



2RU

p1m

T'RCln1

111



T1’ 高电平持续时间

R(UU)



f1mR1



T'RCln1

211









T2’低电平持续时间

R(U＋U)

f1mR1

2RU

p1m

2



4R（RR)U

p1p1f1m

T'RCln1

11



T’为脉冲波周期

222

R(UU)



f1mR1



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

UUdtU

C2on1on1

R2C2

1



0

T2'

T2'

R2C2

欲使0～11V之间有6个阶梯，应该

U

C2

1.8V。取R2＝100KΩ，＝11.6V。

U

on1

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－＝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，

可以取R3为10kΩ。

4 阶梯波发生器总电路图(PSpice)

运算放大器U1构成迟滞电压比较器，U2是积分器，U3为窄脉冲发生器。两个

二极管，其中D16是阶梯形成控制门，D15是阶梯返回控制门。由于U3的同相

输入端加入一个正参考电压，U3输出为负脉冲。在负脉冲持续期间，二极管D16

导通，积分器U2对负脉冲积分，其输出电压上升。负脉冲消失后，D16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U2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D15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，D15导通，积分器进入正电

压积分，使U2输出电位下降，直到U2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D15截止，完成一个周期。

其中Rf1=220kΩ，Rp1=10kΩ, Rp3=22kΩ，; Rw3=10kΩ

阶梯波发生器电路图

窄带脉冲仿真

U3积分器产生的阶梯波仿真

六 实验实现功能说明：

通过该电路完成的阶梯波发生器 实现了一个可产生频率可调，幅度

可调，阶梯数可调的周期阶梯波的发生器，主要通过电位器来调节阶

梯波的频率，幅度以及阶梯数。各个电位器的功能如下所示：

Rp1 (10kΩ)： 用来调节阶梯波的频率

Rp3（22kΩ）： 用来调节阶梯波的幅度大小

Rf1（220kΩ）： 用来调节阶梯波的阶梯数,而在调节的同时,不会改

变阶梯波的幅度

Rw3 (10kΩ)： 用来调节阶梯波的周期,而在调节的同时并不改变

阶梯波的幅度

七 故障及问题分析：

1.电路搭建完成以后，发现不能出波形，后来经过仔细检查连接发现窄带脉冲发

生器的电阻插错管角导致电路故障，重新插好电容后窄带脉冲波正常

2．能输出脉冲波但是开始调试不出阶梯波，原因就是不清楚各个电位器的作用，

经过逐个电位器调试后弄清了每个电位器的功能后就调出了阶梯波

3.初调的阶梯波在幅度、频率、阶梯数并没有达到实验的要求，经过反复调解四

个电位器并用示波器监测输出波形最终调出了较为满意的波形，但是由于电容的

充放电时间导致波形不是非常陡峭

八 总结与结论：

通过本次实验，我更加深刻的了解了集成运算放大器的功能与应用，知道了放大

器与不同器件（电阻、电容等）的组合可以实现多种函数的功能，如积分、微分、

比较等。在阶梯波发生器实验中就是利用了几个典型的组合：积分器，窄带脉冲

发生器，迟滞比较器，完成了阶梯波发生器的设计。

在设计中把从课本中学到的理论应用到了实际参数计算，这是一个困难的过程，

因为实际问题中我们要活学活用。另外在实际操作的时候由于连接马虎造成了不

少不必要的错误，通过模块检查错误排除了一些故障，并不像以前那样是一发现

错误就拆除整个电路。最终的到了基本符合要求的阶梯波波形。

在完成了大二一年的模拟电路实验课之后，我觉得自己的实际动手操作能力有了

明显的提高，在计算参数的时候做到了理论联系了实际，并学到多种排查故障的

方法。加强了对系统的分模块搭建，分模块测试并修正的概念。

九 PROTEL原理图：

阶梯波发生器：

稳压电源电路原理图：

十 所用元器件及测试仪表清单：

电路元器件列表:

器件名型号 用途 数

称 目

运算放实现积分,比较等功能

大器

电位调节阶梯波的幅度,周期,阶梯数

器

二极管 利用它的开关特性

2CP 2

通过负反馈实现积分功能 电容器

提供负反馈 电阻

连接电路 若导线

2 0.01uF

3 50K ,100K

干

LM741 3

220K,10K,22K 4

测试仪器列表:

仪器名称 型号 用途

直流稳压电源 提供直流信号

示波器 观察阶梯波波形

HT1712

CS4135

十一 参考文献：

《电子测量与电路实验》张咏梅等著

《电子电路基础》谢沅清 解月珍 著

电路中心网站：

中国传媒大学精品课程/cour/shen/htm/

十二 其他方法产生阶梯波

LM324 4148 Vcc=12V

这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，从而完成一个阶梯循环。

仿真时出现次错误不知如何解决（ ERROR PSpiceAD 03:13PM EVALUATION

VERSION analog Node Limit (64 Nodes) Exceeded!）本人觉得是版本问题

理论应该得到如下波形