阶梯波发生电路设计

下面是小编为大家整理的阶梯波发生电路设计,供大家参考。

　阶梯波发生电路 摘要：在实用电路中，除了常见的正弦波外，还有矩形波、三角波、锯齿波、尖顶波和阶 梯波。其中阶梯波在电子测量和自动控制系统中，可以作为时序控制信号和多极电位基准信号，有着广泛的用途。产生阶梯波的方法也比较多，可以通过一些数字元件如计数器和D/A 转换器构成，也可以通过模拟电路中一些基本的波形发生和变换电路组合而成，本文主要使 用模拟电路的方法介绍各个模块的功能以及不同参数对电路的影响。

　关键词：阶梯波 组成模块

　参数调整一、整体思路介绍 如图所示，为了得到阶梯波，考虑先产生矩形波，对矩形波进行微分运算，将其变换为尖顶波，为了后面得到稳定的阶梯波形，微分电路的电容值尽可能取的小一点，这样得到的尖顶波就可以近似的看成尖峰脉冲，这种尖顶波有正有负，所以通过精密整流电路使其变换为只有上半部分的尖顶波。积分电路采用反向积分，即得到的阶梯波的电压值为负，如果想要得到电压值为正的阶梯波，可以采用正向积分电路。每一个尖峰脉冲对应一个阶梯，随着积分时间的增长，积分电路的输出电压逐渐下降，当下降到滞回比较电路的阈值电压时就使电子开关导通，对电容放电，积分电路输出变为零，对输入的尖峰脉冲重新积分，同时使滞回比较器翻转，电子开关断开，如此周而复始，就可以产生周期性的阶梯波。

　 二、不同模块的功能介绍 矩 形波 发生 电路 电 子 开 关 微 分 精 密 积 分 滞 回 整 流 比 较 电 路 电路 电 路 电 路 矩

　形波 上下 都有 的尖顶波 只保 留上半部分的尖顶 波

　阶

　梯波

　R 1 C 1

　1 T

　1、矩形波发生电路电路图如下所示：

　Uo1

　 输出端选用稳压值为 5V 的稳压管，从理论上来说输出电压的幅值 Uo   Uz  5 V

　 阈值电压 U   R3 Uz  2.5V T

　R3  R4 设某时刻电容充电的起始值为U ，终了值为U ，时间常数为 R 1 C 1 ，利用一阶三

　 要素

　解得周期为

　U 

　Uz  [  U

　 Uz]e 

　T / 2 T  2 R C

　ln(1 2R 3 )

　R

　 带入如图所示的数据得 4

　T  2.197 10 3 s  2.197ms

　进行仿真验证如下 T

　T

　T

　1

　输出的矩形波的幅值并非 5V 而是 5.6V，说明稳压管的稳压值不是标注的5V，而是5.6 Ｖ，阈值电压近似为２.8Ｖ符合理论推导的公式。从波形可以看出 3 T  3.371 ms

　2

　T  2.247 ms

　和理论计算值符合较好。

　2. 微分电路

　电路图如下所示

　 该电路的功能是对矩形波进行微分运算，得到尖峰脉冲，运算关系式为 dUo

　Uo2  R 6 C 2 dt

　此处要说明一点的是，前面的限流电阻 R8

　是必不可少的，不接限流电阻会产生自激振荡， 因为反馈网络是一个滞后环节，它与运放内部的滞后环节相叠加，容易满足自激振荡的条件， 产生自激振荡的波形如下所示 1

　Uo1 Uo2

　 增加限流电阻R8 后进行仿真，结果如下

　 尖峰脉冲的周期等于矩形波的周期，脉冲的幅值和电阻 R6 和电容 C2 的取值有关，为了使得到的脉冲更尖，应该使电容 C2

　的值尽量小一些 3、精密整流电路

　电路图如下所示 R6

　Uo‘

　 该电路的原理是当 U03

　大于零时，运放 U1

　输出 Uo’ 小于零，二极管D4 导通，D3 截止，实

　现反相比例运算

　Uo "   R 6 Uo R 3

　5

　   2 Uo 3

　当 U03

　小于于零时， Uo’ 大于零，二极管D3 导通，D4 截止，输出电压为零。

　后一级为反向比例求和， U03

　小于于零时， Uo4 =- Uo3 ，当 U03

　大于零时， Uo4 = 2Uo3- - Uo3

　所以该电路的运算关系为

　Uo 4 

　Uo 3

　Uo3 Uo4

　// // // // T 1 T 2 仿真验证其输出

　 其中红线为 U03 ，蓝线为 Uo4 ，可见整流效果较好。4、积分电路以及滞回比较器 电路图如下所示

　电 子 开 关

　 Uo4 Uo5

　 Uo6

　 4.1 、滞回比较器 以运放 U2B 为主的第二级电路构成滞回比较器，输出电压等于稳压管的稳压值，即 Uo6  Uz 从前面的仿真可知，此处标注为 5V 的稳压管的稳压值实际为 5.6V，所以 Uo6  5.6V 阈值电压

　UT  R R 19 18

　Uz R R 22 19 U

　  5  5.6  5  6 R R R 19 18 22 R R 22 19 R REF 18 15 15 U  3.866V ,U  0.133V

　仿真验证如下 

　T 1 T 2 4 5 T 1 T 2

　 可以看出，阈值电压

　U  3.92V ,U  0.113V

　基本符合理论计算。

　4.2 、积分电路 运放 U2A 以及R15 和 C3 组成积分运算电路，运算关系为

　Uo

　  1

　5

　R C t 2

　

　Uo dt  Uo ( t 1)

　15 3 t1

　积分电路的输出作为滞回比较电路的输入，当 U05 的电压高于-5.6V 时，输出 Uo6 为低电平，三极管Q1 截止，电路正常积分，每对一个尖峰脉冲积一次分，就产生一个阶梯，由于是反向积分，所以随着时间的增加，Uo5 的电压逐渐下降，当下将到阈值电压-5.6V

　时， 滞回比较电路输出高电平，使三极管导通，对电容C3 放电，Uo5 的电压迅速升高，但当其高于阈值电压-0.113V 时，滞回比较器翻转，输出低电平，三极管截止，放电结束，如此周而复始，就能够产生周期性的阶梯波。

　仿真结果如下

　 从仿真波形可以看出，

　 U  3.844V ,U  0.101V

　 和前面的仿真及计算值一致。

　三、整体电路图

　 四、不同参数对电路的影响参考文献

　 电子电路计算机辅助分析与设计216-218 页 正文 1

　 1.1

　 1.1.1

　 参考文献或网站

　1 ．

　 2 ．

　 矩形波发生电路 解月珍 谢沅清 北京邮电大学出版社 2001 年 9 月

　微分运算电路

　进行精密整流

　 精密整流电路，输入为 1V

　输入为 5V

　 电源电压改为 20V，输入为 5V

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