姓名 班级 学号 实验日期 节次 教师签字 成绩阶梯波发生电路的设计与分析1.实验目的1、掌握阶梯波发生器电路的结构特点。

2、掌握阶梯波发生器电路的工作原理。

3、学习如何用Multisim 进行电路仿真。

4、学习复杂的集成运算放大器电路的设计。

2.总体设计方案或技术路线1、要设计阶梯波发生电路，首先要设计一个方波发生电路，然后通过微分电路，会得到上下均有尖脉冲的波形。

这时要只取上面的尖脉冲，就需通过限幅电路滤除下半部分的波形。

当这些脉冲经过积分运算电路时，一个尖脉冲累加为一个固定的值，在没有尖脉冲时，积分器保持输出不变。

下一个脉冲到来时又会增加同样的一个值，于是输出形成了阶梯波形。

2、改变电路元件的参数值，探究其于输出的阶梯波各项指标的关系。

3.实验电路图U1UA741CP3247651VEE-15.0VVCC 15.0VRf 100kΩR42kΩC147nFXSC1ABExt Trig++__+_R130kΩR210kΩD112VD212VC247nFR310kΩR510kΩR610kΩU2UA741CP3247651C347nFD31N4148D41N4148图1阶梯波发生电路4. 仪器设备名称、型号1、运算放大器μA741 2个2、二极管若干3、电阻，电容若干4、导线若干5、数字万用表6、可编程线性直流稳压电源7、Agilent DSO-X2002A 型示波器8、电子技术试验箱9、集成运算放大器应用子板5.理论分析或仿真分析结果1、方波发生电路设计方波发生电路由滞回比较器和RC 电路构成。

滞回比较器引入正反馈，产生振荡，使输出电压仅有高低电平两种状态，且自动相互转换。

RC 电路起延时作用和反馈作用，使电路的输出电压按一定时间间隔在高低电平之间交替变化，形成方波。

电路如图2所示，从图3所示的示波器中可读出方波的周期为4.017ms 。

U1UA741CP3247651VEE-15.0VVCC15.0VRf 100kΩR42kΩC147nFXSC1A BExt Trig++__+_R130kΩR210kΩD112VD212V图2方波发生电路图3方波波形2、微分电路设计在上图所示的方波发生电路的输出端接电阻3R 和电容2C 即可组成图4所示的微分电路，原理与运放组成的微分运算电路相同，这里不再叙述。

示波器所得的输出波形为尖脉冲波形，如图5所示。

U1UA741CP3247651VEE-15.0VVCC15.0VRf 100kΩR42kΩC147nFXSC1A BExt Trig++__+_R130kΩR210kΩD112VD212VC247nFR310kΩ图4方波发生电路+微分电路图5 尖脉冲波波形3、限幅电路设计限幅电路的作用是将负半周期的尖脉冲滤除掉。

利用二极管的单向导电性来进行限幅，电路如图6所示。

示波器显示的单边尖脉冲如图7所示。

U1UA741CP3247651VEE-15.0VVCC 15.0VRf 100kΩR42kΩC147nFXSC1A BExt Trig++__+_R130kΩR210kΩD112VD212VC247nFR310kΩD31N4148D41N4148R510kΩ图6 方波发生电路+微分电路+限幅电路图7 单侧尖脉冲波波形4、积分累加电路设计用集成运放组成的积分电路实现积分累加，在图6所示电路的基础上连接积分累加电路如图8所示，打开仿真开关，可以得到积分运算后的输出波形如图9所示。

U1UA741CP3247651VEE-15.0VVCC 15.0VRf 100kΩR42kΩC147nFXSC1ABExt Trig++__+_R130kΩR210kΩD112VD212VC247nFR310kΩR510kΩR610kΩU2UA741CP3247651C347nFD31N4148D41N4148图8方波发生电路+微分电路+限幅电路+积分运算电路图9 阶梯波波形图10 阶梯波波形至此，完整的阶梯波发生电路已经搭接完成，如图8所示。

输出的阶梯波波形如图9和图10所示，峰峰值为25.9V，每个阶梯宽度为3.9ms，阶梯数为6个。

6.详细实验步骤及实验结果数据记录（实验原始数据记录部分，具体数据见下方实验结论）1、根据图2连接电路，并利用示波器记录阶梯波波形。

图11 实际电路连接图12 方波波形（峰峰值12.1V，周期4.15ms）图13 尖脉冲波波形（峰峰值22.5V，周期4.13ms）图14 单侧尖脉冲波波形（峰值10.3V，周期4.23ms）图15阶梯波波形（峰峰值27.3V ，阶梯数6个）2、改变元件参数确定其作用。

（1）只影响阶梯宽度的量。

1>保持其他部分不变，改变f R 的值，记录阶梯的宽度a ，并判断f R 与宽度a 的关系。

f R /k Ω100 200 300宽度a /ms4.12 8.33 12.212>保持其他部分不变，改变1C 的值，记录阶梯的宽度a ，并判断1C 与宽度a 的关系。

1C /nF47 100 220宽度a /ms 4.12 8.77 19.313>保持其他部分不变，改变2R 的值，记录阶梯的宽度a ，并判断2R 与宽度a 的关系。

2R /k Ω10 20 30宽度a /ms 4.12 5.14 6.534>保持其他部分不变，改变1R 的值，记录阶梯的宽度a ，并判断1R 与宽度a 的关系。

1R /k Ω10 20 30宽度a /ms 6.58 4.58 4.12（2）只影响阶梯高度的量（以下记录的阶梯高度为平均阶梯高度） 1>微分电路对波形高度影响①2C 的值会影响阶梯高度，当其余值保持不变，仅改变2C 的值，测量阶梯高度，判断其与阶梯高度的关系。

2C /nF47 100 220阶梯高度/V4.96 10.92 22.67②3R 的值也会影响阶梯高度，当其余值保持不变，仅改变3R 的值，测量阶梯高度，判断其与阶梯高度的关系。

2>积分电路对波形高度影响①3C 的值会影响阶梯高度，当其余值保持不变，仅改变3C 的值，测量阶梯高度，判断其与阶梯高度的关系。

②5R 的值也会影响阶梯高度，当其余值保持不变，仅改变5R 的值，测量阶梯高度，判断其与阶梯高度的关系。

③6R 的值也会影响阶梯高度，当其余值保持不变，仅改变6R 的值，测量阶梯高度，判断3R /k Ω10 20 30阶梯高度/V 4.96 6.50 6.833C /nF47 100 220阶梯高度/V 4.96 2.36 1.075R /k Ω10 20 30阶梯高度/V 4.96 6.03 6.42其与阶梯高度的关系。

（3）同时改变阶梯波每个阶梯宽度a 和高度的量1>改变4R 时，波形也会发生变化。

改变4R 的值，判断其与阶梯波电压高度和每个阶梯宽度a 的关系。

4R /k Ω2 20 30阶梯高度/V 4.96 3.84 2.73 宽度a /ms4.125.475.817.实验结论1、在考察阶梯波发生电路中方波发生电路对阶梯宽度a 的影响时，发现当成倍增大f R 或1C 的值时，阶梯波的阶梯宽度a 的值增大，且与f R 或1C 的值大致呈线性关系。

而若只增大2R 值，阶梯宽度a 会增大，只增大1R 的值，阶梯宽度会减小，但和2R 或1R 的值不是线性关系。

2、在考察阶梯波发生电路中微分电路对阶梯高度的影响时，发现若只增大2C 的值，阶梯高度的值也会增大，且与2C 的值大致呈线性关系。

而若只增大3R 的值，阶梯高度也会增加，但与3R 并非呈线性关系。

3、在考察阶梯波发生电路中积分电路对阶梯高度影响时，发现若只增大3C 的值，阶梯高度会随之减小，经计算得，3C 的值与阶梯高度大致呈反比。

而若只改变5R 或6R 的值，阶梯的高度也会随之减小，但与5R 或6R 的值并不呈比例关系。

4、在考察阶梯波发生电路中同时影响阶梯宽度和阶梯宽度的量时，发现若只增大4R 的6R /k Ω10 20 30阶梯高度/V 4.96 2.97 2.27值，阶梯高度会随之减小，阶梯宽度会随之增大，但均与4R 的值不呈比例关系。

综上，通过对以上数据的分析可见：一、影响阶梯宽度的量主要有f R 、1C 、2R 和1R 。

通过查资料可得到理论上阶梯波的阶梯宽度)21ln(7.1121R R C R a f +=。

由理论公式可得f R 和1C 与阶梯宽度呈线性关系，2R 和1R 与阶梯宽度并非呈线性关系。

而实际测量的值也与理论上的公式较为吻合。

二、影响阶梯高度的量有3R 、2C 、5R 、6R 和3C 。

根据微分运算电路和积分器运算电路的原理，理论上，阶梯高度与6332R C R C ⋅⋅成线性关系。

实际上，根据实验所测，对于电容来说，此关系正确，但对于电阻来说，此关系并不能准确刻画。

其实这样的线性关系是忽略了阶梯发生电路中的单向限幅电路的影响。

因此，对于本实验的阶梯波发生影响输出波形的主要是电容元件。

8.实验中出现的问题及解决对策出现的问题： 1、本实验需要给μA741加±15V 的直流电压，而实验室实验箱上的额定电压仅为12V 。

若将±15V 直流电压直接加到实验箱上，可能造成实验箱内部直流信号源损坏。

2、由于阶梯波产生的时间非常短，为几十毫秒的级别，且并不呈现周期性。

因此，若按照示波器开机时的默认扫描时间，则无法捕捉到产生的阶梯波。

3、实际实验中测出的阶梯波波形每个阶梯的高度略有差别，如果直接测最顶端阶梯的高度，得出的结果可能会有所误差。

解决对策1、将导线直接与集成运放子板三根电源接线柱相接。

2、将示波器的扫描时间延长，直到接通电源后阶梯波能缓慢的在示波器屏幕上完整地显示出来即可。

当示波器完整地在屏幕中出现时，锁定屏幕，再将扫描时间缩短，此时阶梯波波形便能较为理想地呈现在屏幕上。

3、用光标测量屏幕上显示出的阶梯波的峰峰值1pp V ，减掉小于一个阶梯高度的阶梯的峰峰值2pp V 。

若阶梯个数为n ，则最后得出的阶梯高度为nV V V pp pp 21-=。

9.本次实验的收获和体会、对电路实验室的意见或建议 收获与体会：在本次自主设计实验中，我经历了一个从查阅资料、设计实验到实际操作、数据分析的过程，我对所学的模电理论知识有了更加深刻的理解，并且初步了解了模拟电路的设计，仿真以及调试的方法，并学会使用仿真软件multisim。

通过这次实验，我不仅提高了动手能力，还提高了独立思考能力和解决问题的能力，在实践中更好地体会了波形发生器的原理以及如何对输出波形各项指标进行调节，这也为以后的学以致用打下了基础。

意见和建议1、结合理论课的进度安排实验课程。

2、对现有的仪器时常进行维护和检修。

3、将实验室的规模扩大，满足更多人的实验需求，提供更多自由实验的位置。