怎么设计一个阶梯阶梯波发生器

吴少琴的模电课 2023-09-06 6092

电子说

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描述

大三上学期很多同学都会学习“模拟电子线路EDA”，最后一个实验是设计一个阶梯阶梯波发生器，通过老师的讲稿和学长们的实验报告，我们很容易就设计出属于“自己”的阶梯波。

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我们上周实验的要求是：周期18毫秒，电压范围10V，阶梯5个。上图已经是非常优秀的波形了φ(゜▽゜*)♪

常规思路

老师提供的思路是先产生一个方波，将方波微分之后再进行积分，如果我们只积分能够让阶梯波连续上升或者连续下降的部分，就能够产生如上图所示的阶梯波了，在产生了连续的阶梯之后，若判断到达某一阈值，我们再将电压清零，这样便能产生周期性的阶梯波了。

方波发生器

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方波发生器是比较器的一个应用，当上图2点的电压低于3点的电压时，电容C1充电并输出高电平，当充电到电压比3点的电压高时，电容C1放电并输出低电平，在输出端的稳压二极管是来限制电压的大小。

微分限幅

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我们把产生的方波经过一个微分器，在输入信号上升边沿来到的瞬间，因为C2两端的电压不能突变所以输出电压接近峰值，在输入信号不变的时候等待C1充满电所以R5中没有电流流过，电压降为0。这就产生一个尖脉冲。

因为我们想要得到一个阶梯波，需要一个方向的尖脉冲，所以将微分的波形去掉下半部分，留下上半部分，通过二极管的单向导电性实现这一想法。

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积分电路可以将输入信号与时间的积分值成比例地转化为输出信号,它通常由一个电阻和一个电容组成,当输入信号通过电阻时,电容两端的电压缓慢变化,近似于输入信号与时间的积分,从而实现积分功能，在这里我们将上半信号进行积分，通过调节R7和C3的大小来调节阶梯的高度。

当积分电路中的电容电压随时间缓慢增大,最终达到比较器的比较参考电压时,比较器的输出状态发生翻转输出高电平,栅极处电压为0，从而使得并联的电子开关导通，此时积分电容可以通过导通的开关快速放电,电容两端的电压迅速下降至零，这样就完成了一个阶梯波的置零，循环往复便生成了一个完整的阶梯波。

刚调出波形时的确有些开心，但大家都一样的电路老师说不给加分不足以让人兴奋，那是不是有其它更好玩的设计思路呢？

设计灵感

如果我们想要在示波器中显示出漂亮的波形，我们可以将示波器的通道看作是一个画笔，将电压的起伏变化看作是画笔的上下移动，但是和真正画画不同的是,电压的变化是连续的，也就是不能抬笔，这导致了我们在创作的时候会有很多的限制。除此之外，在同一个时间点只能有一个电压值，因此我们想要在示波器中显示出漂亮的波形，我们可以考虑使用多通道将电压变化图像叠加在一起，multisim最多提供了四通道示波器，这意味着我们可以最多可以拥有有四个画笔，先展示最终的成果：

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设计原理

我们想要画出心形的轮廓，比较简单的设计思路是我们列举出每一个时刻它的电压值，要想得到这样的每一时刻，我们可以生成一个频率可控的方波信号，然后利用带模数的计数器来告知后面的电路当前是哪一时刻。

方波发生器前面已经设计了，在产生了方波之后，我们便可以利用计数器进行计数，为了更好的设计计数器的周期，我们可以先绘制出爱心的形状，以0为分割线，画出上半爱心和下半爱心

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我们可以记录一共需要多少步才能将我们的图形给绘制出来，然后将绘制的过程进行分解，在这里可以设置一个周期为5，使用3个周期将图形绘制完毕，我们之前学过的计数器大多都是模10和模16的，不设置一个周期为16的原因在于multisim没有16位输出的译码器，并且如果绘制的图形更复杂，使用小的周期更方便拓展。在设计时最好使用带有同步清零功能的74163芯片，同步清零能去掉我们的波形中的毛刺，设计好的计数器如下：

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设计完了计数器后，再将计数器的信号输入到译码器中，在这里我们使用的是3线-8线译码器，输入接入的都是模5计数器的输出，用模三计数器的输出进行使能，确保一个时间段只会有一个译码器在进行工作，然后再考虑每一个译码器的输出是什么即可。

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现在需要将变化的电压输出到一个点上，思路是需要某一种开关，当信号来临的时候开关开，输出这根导线的电压，我们在模电课上学习过一种基本运算电路——加法运算电路

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我们再回忆译码器的输出，只有当输入ABC刚好对应Yi时才是0，其他时候都是1，所以可以使用一个Not逻辑，使不输出的时候电压为0，这样我们就可以将多个输出同时连接到放大器的反向输入端，当Vi为0的时候这根导线电压与电阻比值相乘为0，相当于开关断开，实现了我们所需要的功能，然后再通过每个时间点的电压值计算所需要的电阻大小即可。对于上半波形来说，我们可以让它再通过一个加法器，设置负反馈电阻的值和反向输入端的值相等，即可做到翻转电压的功能，实现这部分功能的完整电路图如下

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