電子電路綜合實驗設計
實驗名稱：階梯波發生器的設計與實現
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實驗6 階梯波發生器的設計與實現
一. 摘要
階梯波是一種特殊波形，在一些電子裝置及儀表中用處極大。本實驗電路是由窄脈衝-鋸齒波發生器構成。通過將運算放大器的幾個典型電路:
方波發生器、積分器和遲滯電壓比較器，加以改進組合，設計成了階梯波發生器。實驗用兩個二極體作為控制門，乙個是階梯波形成控制門，另乙個是階梯波返回控制門，控制階梯波的週期。調節相應電位器的阻值就能改變階梯數、階梯幅值和階梯週期。
關鍵字:階梯波方波發生器遲滯電壓比較器積分器
二. 實驗任務及設計要求
1、 基本要求：
1） 利用所給元器件設計乙個階梯波發生器，，階數；
2） 設計該電路的電源電路（不要求實際搭建），用protel軟體繪製完整的電路原理圖（sch）及印製電路板圖（pcb）。
2、 提高要求：
利用基本要求裡設計的階梯波發生器設計乙個三極體輸出特性測試電路，在示波器上可以觀測到基極電流為不同值時的三極體的輸出特性曲線束。
3、 **環節：
能否提供其他階梯波發生器的設計方案？如果能提供，請通過**或實驗對結果加以證明；
三. 設計思路及結構框圖
1. 設計思路
2總體結構框圖
本實驗中階梯波發生器電路是由方波-三角波發生器與遲滯電壓比較器構成。圖1中，運算放大器u1構成遲滯電壓比較器，u3是積分器，u2為窄脈衝發生器。兩個二極體，其中d1是階梯形成控制門，d2是階梯返回控制門。
由於u2的同相輸入端加入乙個正參考電壓，u2輸出為負脈衝。在負脈衝持續期間，二極體d1導通，積分器u3對負脈衝積分，其輸出電壓上公升。負脈衝消失後，d1截止，積分器輸入、輸出電位保持不變，則形成乙個台階，積分器u3的輸出的階梯波就是遲滯比較器u1的輸入，該值每增加乙個台階，u1的輸入電壓增加乙個值。
在台階級數較少的時候，u1的同相輸入端的電位比反相輸入端的參考電壓低，使u1輸出低電平，二極體d2截止。隨著台階級數的增加，當u1的同相輸入端電壓高於參考電壓時，u1的輸出跳變至高電平，d2導通，積分器進入正電壓積分，使u3輸出電位下降，直到u3輸出電壓降至遲滯比較器的下門限電壓時，u1輸出才恢復低電位，d2截止，完成乙個週期。
本實驗中用到了三個ua741晶元，通過查詢資料了解ua741的主要引數，管腳設定等。
（1）電源電路的設計
本實驗需要的是+12v的直流穩壓電源。具體電源電路包括整流，濾波，穩壓等部分，具體的設計如下。
（2）窄脈衝發生器的設計
為階梯波週期，為脈衝波週期，為階梯數；高電平持續時間；低電平持續時間。由實驗要求： =6，，帶入以上公式，計算可得≦2ms，故取=2ms；則=0.
29ms；取=11v，則，。是窄脈衝電壓幅度，此電路中可由電源電壓決定。取6v左右即可，為簡化設計和的計算公式中，對數部分我們可以設為1，取，根據已知的頻率可計算電容的值。
窄脈衝的寬度可用電位器來調節。
**波形如下圖所示
（3）積分器的設計
當放大電路滿足深度負反饋條件時，由虛開路和虛短路特性知，電容兩端的電壓為輸出電壓，則輸出電壓的表示式為：
顯然，輸出電壓與輸入電壓是積分關係。當已知輸出電壓在時刻的值時，輸出電壓表示式可以為：
為滿足，且階梯數，由以上公式計算可得,。
**波形如下圖所示。
（4）遲滯比較器的設計
比較器的反相輸入端通過電阻加有參考電壓，與基本的單項比較器相
比，遲滯比較器通過引入了電壓反饋。根據實驗要求，階梯波乙個週期中有6個階梯，則將上下門限電壓設為。輸出電壓變化在6v以上，則參考電壓用電位調節器，取,為乙個電位調節器。
並且，為了控制階梯波返回時，返回時間小於乙個台階的產生時間，則還應取小於，故取為。
**波形如下圖所示：
該電路是乙個週期、幅度可調的階梯波發生器，週期、幅度的調節主要通過電路正的電位器來實現;現將電路中各個電位器的作用說明如下:
:該電位器用來調節階梯波的幅度大小;
:該電位器用來調節階梯波的階梯數。而在調節的同時，不會改變階梯波的幅度
:該電位器用來調節階梯波的週期，而在調節的同時，不會改變階梯波的幅度
鑑於各個電位器的功能，在給定的情況下，可以先通過調節調節階梯波的幅度，在幅度達到要求的的情況下，再通過調節、使週期和階梯數達到要求即可。
以下是**波形圖，可以看到產生了實驗要求的階梯波:
實際實驗中的波形截圖及相關分析:
利用階梯波測試pnp型三極體3共發射極組態下的輸出特性曲線。
將三極體的基極與階梯波發生器的輸出端相連線，並將三極體的發射極經電阻接地，集電極接入方波訊號。雙蹤示波器選擇x-y方式，x輸入的探頭接三極體的集電極，y輸入的探頭接三極體的發射極（由於射極電流約等於集電極電流，而射極電阻固定，可通過測其電壓來說明兩者關係），接通電源後，調整示波器，觀察輸出。
探索其他階梯波發生器的設計方案，並通過**對結果加以證明；
通過圖書館，網路等途徑，發現乙個負階梯波發生器的設計電路，其設計思路是：為了設計乙個負階梯波發生器，首先產生乙個方波，其次經過微分電路輸出得到上下都有的尖脈衝，然後經過限幅電路只留下所需的正脈衝，再通過積分電路，實現累加而輸出乙個負階梯。對應乙個尖脈衝就是乙個階梯，在沒有尖脈衝時，積分器保持輸出不變，在下乙個尖脈衝到來時，積分器在原來的基礎上進行積分，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，比較器輸出正電壓，使振盪控制電路起作用，方波停振。同時，這個正電壓使電子開關導通，積分電容放電，積分器輸出對地短路，恢復到起始狀態，完成一次階梯波輸出。積分器輸出由負值向零跳變的過程，又使比較器發生翻轉，比較器輸出變為負值，這樣振盪控制電路不起作用，方波輸出，同時使電子開關斷開，積分器進行積分累加，如此迴圈往復，就形成了一系列階梯波，其原理圖如下所示：
電路圖為
輸出波形為
五. 故障及問題分析
1.遇到的問題
1.問題一:從階梯波發生器輸出波形可以看出，在階梯波的上公升處並不是嚴格的上公升，而是斜著上公升，考慮到這種情況可能是有運算放大器本身的特性造成，但不清楚具體是那個運算放大器產生了失真;理論上可以通過調節電位器來消除，但在實際實驗中所用的電位器是的，調節範圍比較大導致調節精確度比較低，，而且在調節的比較小時，導致電路不穩定，故提出以下三種驗證方案:
2.實驗改進
(1)只將運算放大器u1由lm741換成lm318，而電路的其它部分保持不變，觀測波形;
(2)只將運算放大器u3由lm741換成lm318，而電路的其它部分保持不變，觀測波形;
(3)只將運算放大器u1由lm741換成lm318，而電路的其它部分保持不變，觀測波形;
考慮到運算放大器lm318容易引起自激，所以在換成lm318之後，應該在運算放大器的4，7端各對地並接乙隻電容來消除自激
通過反覆的實驗與調測，(3)方案得到了很好的改善。
究其原因，當運算放大器1用lm741時，產生的鋸齒波上公升沿和下降沿已有明顯的失真，直接導致反相積分器的輸出產生失真，當運算放大器1用lm318和lm741時，輸出的鋸齒波有明顯差異
2.問題二:搭好電路板後，將輸出波形介入示波器，沒有階梯波顯示，經檢查，發現搭電路的時候，因為電路比較複雜，我沒有仔細檢查，導致有些元件因為插錯了麵包板的洞而沒有連線上，或者產生連線錯誤
解決方法:對照電路圖仔細檢查了一遍，改正了鏈結錯誤，並合理佈線，階梯波就出現了
3.問題三:在進行三極體輸出特性測試電路的拓展實驗時，在示波器觀測到基極電流為不同值時三極體的輸出特性曲線束的波形很不穩定。
分析及解決:原因是掃瞄頻率和階梯波的頻率沒有完全一致，通過調節電位器改變頻率，並且在示波器上將二者頻率盡量對比協調一致，使輸出特性曲線束的波形較為穩定
六. 總結和結論
1.實驗總結:本次試驗是綜合設計性實驗，要求我們將以前學過的知識都綜合運用起來，融會貫通，設計出具有一定綜合功能的電路。
我們用過思考、設計和實踐，對脈衝波發生器、遲滯電壓比較器、積分器的工作原理的理解有了進一步的了解和掌握，對protel dxp軟體的使用有了初步的認識，同時也增加了對模擬電子電路實驗的興趣，真正做到了學以致用。
2.實驗結論:此次試驗比較複雜，要求我們有耐心，並且善於尋找和改正錯誤，使我分析和解決問題的能力得到了很大的提高;此外，本次試驗還增強了我們的動手能力，盡自己所能將電路板搭建得簡單漂亮。
3.心得體會:
為期一年的模電實驗課已經到了尾聲，回首過去的一年，我付出了不少，也收穫了不少。
在上大學之前的實驗課，總是我最期盼的，因為不用寫預習報告，實驗課上老師也不會要求同學必須得測出準確的資料，只是自己隨便做，做不出來時老師會給演示一遍，然後再自己做，即使沒有做出來也沒關係，可以看看別人的實驗結果，承認乙個結論就可以了。而大學中的實驗完全不是這麼回事，上課之前必須做好預習工作，複習與實驗有關的理論知識，設計好實驗電路、電路引數、實驗步驟、提前搭好電路、認真寫好實驗報告，然後就是在實驗的過程中，完全靠自己來做，我們實驗的目的已經不再是以前的看看結論就行，而是必須測出準確的資料，做好記錄，畫出觀察到的波形，在實驗之後對實驗中的資料做好仔細的分析，得出正確的結論，而且要對實驗中遇到的問題做出正確的分析，寫出實驗心得體會。確實，大學中的實驗和以前的實驗相比是截然不同的，大學的實驗把主動權交到了學生手裡。
回頭想想，通過這麼長時間的實驗，我學會了模電是實驗中的一些基本元件，例如麵包板、示波器、萬用表、電晶體毫伏表、函式訊號發生器的使用方法，學會了模電實驗中一些實驗方法，還有常用元器件如電阻、電容、電感的標稱值讀數。
作為工科學生，掌握這些東西是必須的，但是我覺得，通過對模電實驗課的學習，我得益最大的是學會了一種學習方法，一種對待知識的態度，一種面對問題時鑽研的精神。
北郵數電綜合實驗報告
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班級 學號 班內序號 姓名 2014 11 7 目錄設計課題 3 系統設計 4 設計思路 4 總體框圖 4 分塊介紹 7 波形 9 源程式 11 功能說明 29 資源利用情況 29 故障及問題分析 30 總結和結論 30 簡易迷宮設計 設計並實現乙個簡易迷宮遊戲機。基本要求 1 用 8 8 點陣進行...
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