阶梯波仿真设计实验报告
数字电子技术
课程设计报告
设计课题: 阶梯波仿真报告姓名: 某某某
学院: 机电与信息工程学院专业:
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指导教师:
课程设计题目：阶梯波仿真
一．课程设计要求：设计一个频率可调、阶数可调的阶梯波发生器，在Multisim中进行仿真分析。
设计电路实现的功能：产生一个频率可调、阶数可调、平滑的阶梯波。
设计电路的性能指标：频率可调的范围要比较大，阶数可调的阶数的范围要合理，输出平滑、没有毛刺的阶梯波。
二．设计方案：
（1）产生阶梯波的电路结构是由由时钟信号发生器、计数器、D/A转换器和低通滤波器组成电路。
（2）时钟信号发生器的信号频率可调，采用由555构成的多谐振荡器。
(3) 计数器的进制数决定阶梯波的阶数，可采用有预置数功能的计数器，通过置数改变计数器的进制数。
(4) D/A转换器将计数器的输出值转换为模拟电压。
(5)RC组成的低通滤波器将阶梯波的毛刺出去，使阶梯波变得平滑。
阶梯波的组成和原理
三．电路框图
如图一：
图一
得到一个频率可调、阶数可调、平滑的阶梯波
四．电路原理图
如图二：
图二
五．实验方法
用555构成多谐振荡器产生一个时钟信号，用置数法产生一个可以调节的阶数，用DAC转化器完成将数字信号转化为模拟信号，用RC低通滤波器将阶梯波的毛刺去除，最后产生平滑的阶梯波。
实验设计细节：
1.用555定时器组成多谐振荡器
555构成的多谐振荡器如图三所示：
图三
电源接通后，v1通过电阻R1、R2向电容C2充电。当电容上电压Uc=2*V1/3时，阈值输入端6受到触发，上比较器翻转，输出电压Uo=0，同时放电管导通，电容C2通过R2放电；当电容上电压Uc=V1/3时，下比较器工作，输出电压Uo 变为高电平，C2放电终止，有重新开始放电；周而复始，形成振荡。其振荡周期与充放电时间如下；
充电时间：Tph=（R1+R2）*C2*Ln[(V1-2*V1/3)/(V1-1*V1/3)]=0.7(R1+R2)C2 放电时间：Tpl=R2*C2*Ln[(V1-2*V1/3)/(V1-1*V1/3)]=0.7R2*C2
振荡周期：T=Tph+Tpl=0.7*（R1+2*R2）*C2
振荡频率：f=1/T=1/( Tph+Tpl)=1.44/[（R1+2*R2）*C2]
占空系数：D=Tph/T=(R1+R2)/(R1+2R2)
由以上公式可知，电路的振荡周期T,占空系数D，仅与外接元件R1、R2和C2有关，不受电压源变化的影响
在本次实验中，通过使用滑动变阻器调节频率。
2.74ls163十六进制计数器
74ls163十六进制计数器的电路图如图四所示：
图四
十六进制电路采用置数法法构成任意进制计数器。电路采用74LS163十六进制加法计数器。
电路处于计数工作状态时，ENP、ENT接高电平。
电路计数采用置数法，所以置零端接高电平。
74LS163的输入端A、B、C、D通过双向开关与高电平或低电平相连。
阶梯波的阶数的计算，因为电路采用16进制计数器，所以最大阶数是15阶，例如若要输出5阶，所以DCBA表示的数字为5，所以DCBA为0101，即AC接高电平，BD接低电平。
所以通过控制双向开关的开关即实现了阶梯波阶数的变化。
3.DAC转换器
DAC的电路图（包括低通滤波器）如图五所示：
图五
把数字信号转换为模拟信号称为D/A转换。把实现D/A转换的电路称为D/A 转换器，简称DAC.
DAC的转换精度与它的分辨率有关。分辨率是指DAC对最小输出电压的分辨能力,可以定义为输入数码只有最低有效位为1时的输出电压Ulsb与输入数码为全1时的满度输出电压Um之比，即
分辨率=Ulsb/Um=1/(2N-1)
当Um一定时，输入数码的位数n越多，则分辨率能力就越高。
4.低通滤波器
低通滤波器的电路图如图五所示（上图）
电路图中的低通滤波器为无源低通滤波器，由RC构成。低通滤波器的截止频率为
f=1/(2*pi*R*C)
低通滤波器的截止频率的参数设置要按照555多谐振荡器产生频率进行设置。
六．实验结果
1.阶梯波的阶数可调
通过调整开关J1、J2、J3、J4，共有16种组合，也就是有16种阶梯波。
J1由断开到闭合，阶梯数+1；J2由断开到闭合，阶梯数+2；J3由断开到闭合，阶梯数+4；J4由断开到闭合，阶梯数+8.
反之， J1由闭合到断开，阶梯数-1；J2由闭合到断开，阶梯数-2；J3由闭合到断开，阶梯数-4；J4由闭合到断开，阶梯数-8.
例如由J1闭合，J2断开，J3闭合，J4闭合，到J1闭合，J2断开，J3闭合，J4断开。阶梯波由十三阶变到五阶。
图六为从十三阶变到五阶
图六
2.阶梯波的频率可调
通过调节滑动变阻器阻值可以调节阶梯波的频率，图七是通过调节滑动变阻器阻值，使阶梯波的频率发生变化。
图七
由图可以看出，阶梯波的频率明显的变化。
3.实验结论
通过正确的搭建电路和合理的设置参数，可以实现频率可调的，阶数从1阶到15阶，平滑的阶梯波。
七．心得体会
1. 阶梯波的仿真实验的电路模块主要由三部分构成。在仿真之前，需要将每一个模块的功能和原理学会，这样才能正确的搭建电路。
2．在使用RC构成的低通滤波器时，通过555多谐振荡器产生的方波的频率设置低通滤波器的RC的参数，先设好C的值，再计算R的值，这样产生的波形更好些。
3．通过这次数字电子技术课程设计，加深了对555多谐振荡器、任意进制计数器的设计、DAC转化器的认识，学会了基本的Mulitim仿真电路功能、分析和调试方法。
八．参考文献
【1】李素梅，郭荣生电子技术实验与实践
中国石油大学出版社 2007年【2】余孟尝数字电子技术基础简明教程（第三版）
高等教育出版社 2006年