階梯波發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 北京郵電大學(xué)電子電路綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課題名稱： 階梯波發(fā)生器的設(shè)計(jì)和調(diào)測(cè) 院 系： 信息與通信工程學(xué)院 班 級(jí)： 姓 名： 班內(nèi)序號(hào)： 學(xué)號(hào)： 摘要階梯波是一種特殊波形，在一些電子設(shè)備及儀表中用處極大。階梯波發(fā)生器是由一個(gè)方波-三角波發(fā)生器與遲滯電壓比較器組成的電路。通過對(duì)運(yùn)算放大器UA741，二極管以及電容等器件進(jìn)行組合，以及對(duì)各個(gè)部分輸出輸入波形的分析和關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)出了階梯波發(fā)生電路。通過對(duì)該電路的適當(dāng)改接，還可以完成一個(gè)三極管輸出特性測(cè)試電路。實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵詞：階梯波 脈沖 方波-三角波發(fā)生器 遲滯電壓比較器第一章 緒論 1.1 階梯波的應(yīng)用背景階梯波在電子設(shè)備中的應(yīng)用十分的廣泛。例如階梯

2、波修復(fù)技術(shù)，它是通過測(cè)定電池狀態(tài)，在充、放電的同時(shí)不斷發(fā)出正負(fù)變頻階梯波與電池中的硫酸鉛結(jié)晶體發(fā)生共振，從而使硫酸鉛晶體還原成硫離子和鉛離子，調(diào)解二氧化鉛的比例至1:1.25，改變電介質(zhì)成份和性質(zhì)，每秒產(chǎn)生 40萬組復(fù)合階梯波提高修復(fù)效率(階梯波頻率)達(dá)3兆赫茲以上，打通離子通道，充分釋放并激活原活性物質(zhì)，使其具備更強(qiáng)的電化學(xué)能力，降低電池內(nèi)阻，徹底消除電池硫化。至使硫化物質(zhì)的分解還原率達(dá)95%以上，經(jīng)過再生復(fù)原的鉛酸蓄電池，其容量可恢復(fù)到原標(biāo)準(zhǔn)容量的95以上。 1.2 資料中常見的方案查閱資料得到階梯波發(fā)生電路的常用設(shè)計(jì)方案如下：圖2.1圖2.2圖2.3第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1 實(shí)驗(yàn)要求 基

3、本要求：1.利用所給元器件設(shè)計(jì)一個(gè)階梯波發(fā)生器，要求：f>>500Hz，Uopp>>3V，階數(shù) N=62.設(shè)計(jì)該電路的電源電路（不要求實(shí)際搭建），用PROTEL軟件繪制完整的電路原理圖（SCH）及印制電路板圖（PCB）。 提高要求：利用基本要求里設(shè)計(jì)的階梯波發(fā)生器設(shè)計(jì)一個(gè)三極管輸出特性測(cè)試電路，在示波器上可以觀測(cè)到積極電流為不同值時(shí)的三極管輸出特性曲線束。 探究環(huán)節(jié)：探索其他階梯波發(fā)生器的應(yīng)用實(shí)例，給出應(yīng)用方案。2.2 實(shí)驗(yàn)原理 窄脈沖發(fā)生器經(jīng)二極管得到負(fù)脈沖波 控制階梯波返回反相積分器電源電路階梯波 電子開關(guān)電路圖2.4本次實(shí)驗(yàn)采用的電路原理圖如下：（下圖用prote

4、l DXP 2004搭建）圖2.5 該電路是由方波三角波發(fā)生器與遲滯電壓比較器構(gòu)成。圖6-1 中，運(yùn)算放大器U1 構(gòu)成遲滯電壓比較器，U3 是積分器，U4 為窄脈沖發(fā)生器。兩個(gè)二極管，其中D1 是階梯形成控制門，D2 是階梯返回控制門。由于U4 的同相輸入端加入一個(gè)正參考電壓，U4 輸出為負(fù)脈沖。在負(fù)脈沖持續(xù)期間，二極管D1 導(dǎo)通，積分器U3 對(duì)負(fù)脈沖積分，其輸出電壓上升。負(fù)脈沖消失后，D1 截止，積分器輸入、輸出電位保持不變，則形成一個(gè)臺(tái)階，積分器U3 的輸出的階梯波就是遲滯比較器U1 的輸入，該值每增加一個(gè)臺(tái)階，U1 的輸入電壓增加一個(gè)值。在臺(tái)階級(jí)數(shù)較少的時(shí)候，U1 的同相輸入端的電位比反

5、相輸入端的參考電壓低，使U1 輸出低電平，二極管D2 截止。隨著臺(tái)階級(jí)數(shù)的增加，當(dāng)U1 的同相輸入端電壓高于參考電壓時(shí)，U1 的輸出跳變至高電平，D2 導(dǎo)通，積分器進(jìn)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(shí)，U1 輸出才又恢復(fù)低電位D2 截止，完成一個(gè)周期。 圖2.5中，Rf1=200k; Rp1=10k; Rp3=22k; Rw3=10k、 2.3 主要芯片參數(shù)及特性本實(shí)驗(yàn)采用的是UA741集成運(yùn)放，有關(guān)UA741的一些典型參數(shù)如下：圖2.6圖2.72.82.4 電路圖及各模塊的功能 脈沖發(fā)生器電路設(shè)計(jì)圖2.9T為階梯波周期，T為脈沖波周期，N 為

6、階梯數(shù)； T1 高電平持續(xù)時(shí)間；T2低電平持續(xù)時(shí)間。Um 是脈沖波電壓幅度，此電路中可由電源電壓決定。窄脈沖的寬度可以由Rf1調(diào)節(jié)。由實(shí)驗(yàn)要求：N=6， f500Hz, Uopp3V帶入以上公式，計(jì)算可得：T2ms, 故取 T=2ms;則T=0.29ms;取Um=11V, 則R1=100k, C1=0.01uf; 積分器電路設(shè)計(jì)圖2.10對(duì)負(fù)脈沖進(jìn)行幾份的時(shí)間常數(shù)為，每積分一次獲得的電壓增量為為滿足Uopp3V，且階梯數(shù)N=6。由以上公式計(jì)算可得C=0.01u, R2=100k 遲滯電壓比較器電路設(shè)計(jì)圖2.11該電壓比較器的參考電壓加在反相輸入端，在同相輸入端加輸入信號(hào)。根據(jù)要求，在一個(gè)周期中

7、有6個(gè)階梯，輸出電壓可以從0V到11V，則上下門限電壓可以設(shè)為Uth11V，Uth0V。參考電壓可以用10k電位器調(diào)節(jié)，或用固定電阻分壓。為方便電路調(diào)節(jié)，Rf3可以是一50k左右固定電阻加上一個(gè)22k電位器。綜上所述，定性分析電路工作過程如下：（1）首先，由第一級(jí)運(yùn)放U1構(gòu)成的脈沖波發(fā)生器生成脈沖波，如下圖 圖 2.22然后經(jīng)二極管D1的單向?qū)ㄗ饔脼V去電壓為正的部分后，生成負(fù)脈沖如下圖所示，注意其中負(fù)脈沖的0點(diǎn)位置（圖中示波器CH1和CH2都顯示了出來，CH1為U2輸出的階梯波，CH2為負(fù)脈沖。） 圖2.23（2）接著負(fù)脈沖作用在U2反向積分器上，由于U2同向輸入端接地，所以當(dāng)負(fù)脈沖為負(fù)的時(shí)

8、候，輸出為正，接著當(dāng)負(fù)脈沖處于0的時(shí)候，如果負(fù)脈沖為0的時(shí)間小于積分器的時(shí)間常數(shù)，那么在積分電容C2上的左負(fù)右正的電壓不能突變，又由于“虛短虛斷”原理，使得U2輸出端電壓保持不變，這一點(diǎn)在圖2.23中也體現(xiàn)了出來，當(dāng)圖中負(fù)脈沖為0的時(shí)間段正好對(duì)應(yīng)階梯波保持電壓的時(shí)間段。緊接著當(dāng)下一個(gè)負(fù)電壓作用時(shí)，電路又輸出一個(gè)正，使得輸出波形又上一臺(tái)階，這樣輸出電壓越來越高。（3）接下來對(duì)應(yīng)階梯波從最高點(diǎn)瞬時(shí)跳回最低點(diǎn)的現(xiàn)象解釋如下：Rw3接+12V分壓給運(yùn)放U3的反向輸入端，假設(shè)分壓為V1,當(dāng)運(yùn)放U2輸出的電壓小于V1時(shí)，輸出為負(fù)，D2不導(dǎo)通，U2輸出按照（2）中所分析的變化，一旦運(yùn)放U2的輸出大于V1，運(yùn)

9、放U3輸出為正，二極管D2導(dǎo)通，此時(shí)通過R3給左負(fù)右正的電容C2充電，使C2兩端電壓迅速降低，從而把U2輸出電壓迅速拉低。 第三章 電路的測(cè)試 3.1 基本要求 圖3.1右邊為基本要求電路，左邊為擴(kuò)展電路用來測(cè)試晶體三極管的的輸出特性曲線 3.1.1 脈沖波測(cè)試圖3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：Uopp=20.4V 3.1.2 階梯波測(cè)試實(shí)圖2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：Vopp=6.6V, f=536.24Hz, N=6。經(jīng)檢驗(yàn)，達(dá)到基本要求。 調(diào)試方法各個(gè)電位器的作用：Rp1(10k)：通過控制外加電源，改變輸出功率，同時(shí)影響輸出電流，調(diào)節(jié)窄脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生脈沖的占空比，調(diào)節(jié)階梯波頻率。Rf1(220k)：通過對(duì)外加電源的

10、分壓，改變相同輸入端參考電壓，繼而改變電容的充放電周期，最終改變脈沖周期。所以該電位器用來調(diào)節(jié)矩形波的占空比、階梯波的階梯數(shù)和頻率,而在調(diào)節(jié)的同時(shí),不會(huì)改變階梯波的幅度。Rw3(10k)：通過對(duì)反響輸入端電壓的分壓作用，改變參考電壓，從而與積分電路輸出到同相輸入端的電壓相比較，控制階梯波返回，即決定階梯波的幅值。該電位器用來調(diào)節(jié)階梯波的直流量即幅度的大小。Rp3(22k)：其作用與Rw3類似，該電位器用來調(diào)節(jié)階梯波的幅度大小。 由上述分析可得，在給定的情況下，可以先調(diào)節(jié)Rp3，對(duì)調(diào)節(jié)階梯波的幅度進(jìn)行改變，在幅度達(dá)到要求的情況下，再繼續(xù)調(diào)節(jié)Rf1和Rw3，使得頻率和階梯數(shù)達(dá)到要求。但在實(shí)際的調(diào)試

11、過程中，四個(gè)電位器要配合使用，才可以達(dá)到最佳的效果。經(jīng)過單獨(dú)測(cè)量各個(gè)電位器的兩部分阻值比，參數(shù)如下：Rf1=10k；Rp1=8k；Rp3=10k；Rw310k3.2 提高要求三極管輸出特性曲線測(cè)試框架圖：圖12通過對(duì)三級(jí)管特性的研究，階梯波的輸出波形通過一個(gè) 10K電阻接入到三極管的基極，集電極接電壓變換電路，發(fā)射極直接接地。而示波器的X、Y是分別接在輸入兩端上。需要注意的是三極管需要有直流偏置才能正常工作，所以在集電極加入了直流偏置，使三極管正常工作。圖表3.3實(shí)際電路輸出如下 圖3.43.3 遇到的問題本次實(shí)驗(yàn)中，遇到的最大問題就是電路板極不穩(wěn)定，上節(jié)課搭的電路板，在甲實(shí)驗(yàn)室還挺好的，能出各種波形，但是下節(jié)課到乙實(shí)驗(yàn)室卻只剩一堆噪聲，拿著萬用表分別側(cè)各元件，每個(gè)元件均沒問題，但就是不出波形。檢查面包板的連接，也沒發(fā)現(xiàn)有斷線或短接。無奈之后，只得再把電路拆了，再搭一遍，還是那些元件，但新搭的電路卻有正常了。 其次，基本要求的電路板在第一次搭板時(shí)就搭出來了，但接下來把輸出階梯波接到擴(kuò)展電路上時(shí)卻由于事先沒有設(shè)計(jì)好，把板子給燒了。第四章 總結(jié) 附錄1 用到的元器件種類規(guī)格數(shù)量電阻100K256K150K110K11K3電位器220K122K110K2集成運(yùn)算放大器uA7413二極管2CP102電容0.01u3圖表22 測(cè)