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阶梯波发生电路设计
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
1、矩形波发生电路
电路图如下所示:
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
阈值电压
设某时刻电容充电的起始值为
,终了值为
,时间常数为
,利用一阶三要素
解得周期为
带入如图所示的数据得
进行仿真验证如下
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5.6V,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
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
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
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
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
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
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
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
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
阈值电压
仿真验证如下
可以看出,阈值电压
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
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,
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解月珍谢沅清北京邮电大学出版社2001年9月
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
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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- 关 键 词:
- 阶梯 发生 电路设计