压控阶梯波

前言

1 方案论证  

1.1 方案一：基于模拟电路的设计

1.2 方案二：基于数字电路的设计

1.3方案确定

2 理论设计

2.1 V/F转换电路的设计

2.2 计数器累加电路

2.3 权电阻网络D/A转换电路

2.4 反相器电路

2.5 电源电路

2.6 整体电路图

3 仿真调试

3.1 V/F转换电路仿真调试

3.2计数器累加电路调式

3.3 D/A转换器电路及反相器电路调试

3.4 电源电路的调试

3.5整体电路调试

小结

附录1 总电路图

附录2 元器件清单

前言

设计是大学生在学完电路基础以及模拟电子技术基础和数字电子技术基础课程后进行的实践课程。大学生综合以上知识进行综合性的EDA仿真电路设计及其调试，将理论与实际结合锻炼我们的综合能力和动手能力。

本次课程设计的压控阶梯波发生器主要是利用了数字电子技术基础和模拟电子技术基础的知识，这两门课程都是通信工程专业的基础课程。我们结合课本上的理论知识，运用Multisim软件进行电子电路的设计、安装、调试的过程，通过理论转化为实践，获得实用电路的过程便是电子课程设计的过程。

通过此次电子课程设计我们应该达到以下要求：

首先，综合运用所学到的课本上的理论知识构建合理的电路单元板块并将其连接获得整体电路；培养查阅文献资料、相关书籍的良好习惯及分析解决电路问题的能力。

其次，在理论基础上进一步熟悉各种电子元器件，学会电子电路的调试技巧，以及团队合作精神。

这样即让我们学会了先关专业的综合应用能力，同时撰写设计报告也为我们以后的毕业论文打了一定的基础。

1 方案论证

1. 1. 方案一：基于模拟电路的设计

图 1.1.1 模拟电路设计框图

该电路的主要原理是方波发生器产生方波，将方波信号送给微分电路进行微分获得尖脉冲，在经过限幅电路获得本实验所需要的正脉冲，将所得正脉冲进行积分累加获得一个负阶梯，对应一个尖脉冲就是一个阶梯，积分器保持输出不变，在原来的基础上对下一个脉冲进行积分，如此便获得了累加效果，当积分器累加到比较器的电压大小时波形进行翻转，方波停振。正电压使电子开关导通，积分电容放电，积分器输出对地短路，恢复到起始状态，然后积分器由负值向零跳变，再次发生上述过程，如此反复便获得了阶梯波。

1.2 方案二：基于数字电路的设计

图 1.2.1 数字电路设计框图

该电路主要原理是直流电源用来提供稳定的电流；压控振荡器产生方波，其频率主要由输入电压来决定；五进制计数器作为数模转换器的开关，通过数模转换器送出反相的阶梯波，然后在通过反相器最终得到五个阶梯的阶梯波。

1.3方案确定

数字电路与模拟电路最大的区别就是信号的传输方式不同，一个是数字信号，一个是模拟信号。数字系统特性不易随使用条件改变而变化，其精确度较高、稳定性更强。同时通过对比两个方案发现数字电路的设计电路图更加精简，同时也能更加符合课程设计所要求的精度问题，故本次课程设计采用方案二基于数字电路的设计。

2 理论设计

2.1 V/F转换电路的设计

（1）电路原理图设计

V/F转换电路由积分器和滞回比较器组成，其设计电路图如下图所示：

图 2.1.1  V/F转换电路电路图

工作原理：

（2）元器件选择及其参数计算

 

本课题要求输入控制电压与阶梯波的压频比为100Hz/V，一个压控阶梯波为5个台阶，若以变换后的脉冲信号作为计数器的输入CP。实际的压频比应为500Hz/V，即外加电压为1V时，输出脉冲频率为f=500Hz，

2.2 计数器累加电路

（1）电路原理图设计

因为本次课程设计中一个阶梯波需要五个阶梯，故计数累加器需要设置为五进制同步加法计时器，如图所示：

图2.2.1 计数器累加电路电路图

（2）元器件选择及其参数计算

在选择芯片上选用74HC160-6V，因为74HC160是CMOS器件，74LS160是TTL器件。CMOS是场效应管构成，TTL为双极晶体管构成。COMS的逻辑电平范围比较大，一般在5V～15V，TTL只能在5V下工作。CMOS的高低电平之间相差比较大、抗干扰性强，TTL则相差小，抗干扰能力差。CMOS功耗很小，TTL功耗较大，一般在1～5mA。TTL电路是电流控制器件，而coms电路是电压控制器件。TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。COMS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。COMS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高。通过比较和设计该电路的实际要求，故采用74HC160-6V，同时74HC160-6V芯片也能稳定输出6V的高电平脉冲，能使得整体电路更加稳定。

2.3 权电阻网络D/A转换电路

（1）电路原理图设计

D/A的功能是将计数器Q端输出的高低电平转换成权电流相加，在输出端产生阶梯电压，故选择设计电路图如下：

图2.3.1 权电阻网络D/A转换电路电路图

（2）元器件选择及其参数计算

2.4 反相器电路

（1）电路原理图设计

由于权电阻网络D/A转换电路输出的阶梯波是负阶梯波，因此还应该在该电路后面接一个反相器电路。

反相比例运算电路是典型的电压并联负反馈电路。输入电压通过电阻作用于集成运放的反相输入端，故输入电压与输出电压反相。同相输入端通过电阻接地，为补偿电阻，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性。

设计电路如图所示：

图2.4.1 反相器电路

（2）元器件选择及其参数计算

2.5 电源电路

（1）电路原理图设计

本课题在设计电源电路时考虑到模拟电路选用的集成运放均为双电源集成运放OP01CZ和UA741CD，应选用±12V进行供电，数字电路中74HC160需要 5V进行供电，而本次课题任务书要求输入控制电压应该为1V--10V，。综合以上条件，应该设计出一个包含±12V、 5V、1V--10V可调电压源电路，同时三组电源要共地，故设计电源电路如图所示：

图2.5.1 电源电路电路图

（2）元器件选择及其参数计算

2.6 整体电路图

由以上设计，可得压控阶梯波发生器的总电路原理图如图：

图2.6.1 整体电路图

3 仿真调试

3.1 V/F转换电路仿真调试

因为由以上元器件和两个集成运放构成的V/F转换电路输出波形如下，

图3.1.1 输出矩形波图

通过观察发现其波形不稳定，故加入施密特触发器74LS14D用于脉冲整形，接入一个74LS14D得到反相矩形波，故接入两个74LS14D，既可以得到稳定的矩形脉冲波。

由以上电子器件构成的V/F转换电路，即可得到稳定的输出波形如下：

                                                  图3.1.2 积分电路输出的锯齿波图

                                                 图3.1.3 滞回比较器输出的矩形波图

同时，我们选取1、2、3、4、5、6、7、8、9、10V进行调试，获得数据如下：

图3.1.4 矩形波周期测量表

通过观察计算发现所获得的数据与要求的理论数据有一定的误差，分析原因：

①可能是各电子器件参数连接后器件本身带来的一定的误差（例如稳压二级管因为稳压值的大小对V/F的影响，电路本身固有的影响）。

②根据V/F转换电路的理论可以获知这周期不仅包含充电周期的周期，还包含放电周期的周期，随着输入电压越大，其充电放电的频率越大，其周期就有一定的误差。

减小误差的解决方案：

①可以通过实际情况根据输入电压与周期的关系做出线性关系选取合适的参数通过计算改变电阻电容参数，使整体情况的误差能够减小。

②场效应管在源极水与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。场效应管制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。因此我们可以考虑将二极管换成场效应管，场效应管同样具有开关的作用，这样更够使得所得数据更加接近理论值，从而减小了误差。

3.2计数器累加电路调式

按照图2.2.1所示电路可以获得各Q端波形图如下：

图3.2.1 五进制计数器各Q端波形图

通过分析观察，所获得的输出较为稳定。

3.3 D/A转换器电路及反相器电路调试

D/A转换器电路及反相器电路在计数器累加电路正常工作的情况下，获得需要的波形并没有太大的困难，但根据本次报告误差±10%的允许范围要求，要调整台阶电压以满足每阶台阶1V±10%的要求，分两种情况：

3.4 电源电路的调试

电源电路根据图2.5.1可知，其电压分别为：5.002V、11.947V、-12.584V、0.996V——10.057V，与需求的电压存在一定的误差，我们可以通过加入电阻进行分压的方式将较大的电压分压成固定的需求的值，通过调节变压器匝数比、电容值大小来讲较小的电压值变大。

3.5整体电路调试

将各级电路连接进行仿真可以获得最终输出波形如下图：

                                                           图3.4.1 阶梯波波形图

同时，我们选取1、2、3、4、5、6、7、8、9、10V进行调试，获得数据如下：

图3.4.2 阶梯波周期测量表

通过观察发现，所得周期与本次课程设计要求的周期有一定的误差，分析可知：

①电路本身存在的固有问题。

②各单元电路分析所得误差的各项原因。

③Multisim仿真示波器周期测量存在一定的误差。

解决方法便是将不稳定的电子器件可以换成稳定的电子器件，然后在实验当中不断地根据参数进行阻值电容大小的调整，使其误差最小。

                                                图3.4.3 阶梯波各阶级幅度大小测量表

通过阶梯波各阶级幅度大小的测量，数据如图3.4.3，发现其符合本次课程设计的要求。

整体电路图见附录1。

小结

通过本次课程设计，总结如下：

电子课程设计的目的在于进一步巩固和加深所学基本理论知识。使学生能综合运用相关关课程的基本知识，通过本课程设计，培养学生独立思考能力，学会和认识查阅和占有技术资料的重要性，了解电路设计的特点、思路。以及具体的方法和步骤，掌握专业课程设计中的设计计算。通过设计过程学习和管理，树立正确的设计思想和严谨的工作作风，以期达到提高学生设计能力。
从理论到实践，在专业课程设计持续的日子里，可以培养学生学到很多东西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识．通过课程设计教育学生认识理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力在设计的过程中随时会遇到各式各样的问题，同时会不断发现自己的不足之处。，本次课程设计有效培养了我们综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题的能力，通过课程设计的教学实践，使我们所学的基础理论和专业知识得到巩固，并使我们得到运用所学理论知识解决实际问题的初步训练；使我们接触和了解实际局部设计从收集资料。方案比较，软硬件设计及整体调试的全过程，进一步提高我们的分析、综合能力以及设计中分析设计的基本能力，为今后的毕业设计做必要的准备，并为毕业后的工作学习提供了借鉴思路。
附录

附录1 总电路图

附录2 元器件清单

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