大三上學(xué)期很多同學(xué)都會學(xué)習(xí)“模擬電子線路EDA”，最后一個實驗是設(shè)計一個階梯階梯波發(fā)生器，通過老師的講稿和學(xué)長們的實驗報告，我們很容易就設(shè)計出屬于“自己”的階梯波。

我們上周實驗的要求是：周期18毫秒，電壓范圍10V，階梯5個。上圖已經(jīng)是非常優(yōu)秀的波形了φ(゜▽゜*)?

常規(guī)思路

老師提供的思路是先產(chǎn)生一個方波，將方波微分之后再進行積分，如果我們只積分能夠讓階梯波連續(xù)上升或者連續(xù)下降的部分，就能夠產(chǎn)生如上圖所示的階梯波了，在產(chǎn)生了連續(xù)的階梯之后，若判斷到達某一閾值，我們再將電壓清零，這樣便能產(chǎn)生周期性的階梯波了。

方波發(fā)生器

方波發(fā)生器是比較器的一個應(yīng)用，當(dāng)上圖2點的電壓低于3點的電壓時，電容C1充電并輸出高電平，當(dāng)充電到電壓比3點的電壓高時，電容C1放電并輸出低電平，在輸出端的穩(wěn)壓二極管是來限制電壓的大小。

微分限幅

我們把產(chǎn)生的方波經(jīng)過一個微分器，在輸入信號上升邊沿來到的瞬間，因為C2兩端的電壓不能突變所以輸出電壓接近峰值，在輸入信號不變的時候等待C1充滿電所以R5中沒有電流流過，電壓降為0。這就產(chǎn)生一個尖脈沖。

因為我們想要得到一個階梯波，需要一個方向的尖脈沖，所以將微分的波形去掉下半部分，留下上半部分，通過二極管的單向?qū)щ娦詫崿F(xiàn)這一想法。

積分電路可以將輸入信號與時間的積分值成比例地轉(zhuǎn)化為輸出信號,它通常由一個電阻和一個電容組成,當(dāng)輸入信號通過電阻時,電容兩端的電壓緩慢變化,近似于輸入信號與時間的積分,從而實現(xiàn)積分功能，在這里我們將上半信號進行積分，通過調(diào)節(jié)R7和C3的大小來調(diào)節(jié)階梯的高度。

當(dāng)積分電路中的電容電壓隨時間緩慢增大,最終達到比較器的比較參考電壓時,比較器的輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)輸出高電平,柵極處電壓為0，從而使得并聯(lián)的電子開關(guān)導(dǎo)通，此時積分電容可以通過導(dǎo)通的開關(guān)快速放電,電容兩端的電壓迅速下降至零，這樣就完成了一個階梯波的置零，循環(huán)往復(fù)便生成了一個完整的階梯波。

剛調(diào)出波形時的確有些開心，但大家都一樣的電路老師說不給加分不足以讓人興奮，那是不是有其它更好玩的設(shè)計思路呢？

設(shè)計靈感

如果我們想要在示波器中顯示出漂亮的波形，我們可以將示波器的通道看作是一個畫筆，將電壓的起伏變化看作是畫筆的上下移動，但是和真正畫畫不同的是,電壓的變化是連續(xù)的，也就是不能抬筆，這導(dǎo)致了我們在創(chuàng)作的時候會有很多的限制。除此之外，在同一個時間點只能有一個電壓值，因此我們想要在示波器中顯示出漂亮的波形，我們可以考慮使用多通道將電壓變化圖像疊加在一起，multisim最多提供了四通道示波器，這意味著我們可以最多可以擁有有四個畫筆，先展示最終的成果：

設(shè)計原理

我們想要畫出心形的輪廓，比較簡單的設(shè)計思路是我們列舉出每一個時刻它的電壓值，要想得到這樣的每一時刻，我們可以生成一個頻率可控的方波信號，然后利用帶模數(shù)的計數(shù)器來告知后面的電路當(dāng)前是哪一時刻。

方波發(fā)生器前面已經(jīng)設(shè)計了，在產(chǎn)生了方波之后，我們便可以利用計數(shù)器進行計數(shù)，為了更好的設(shè)計計數(shù)器的周期，我們可以先繪制出愛心的形狀，以0為分割線，畫出上半愛心和下半愛心

我們可以記錄一共需要多少步才能將我們的圖形給繪制出來，然后將繪制的過程進行分解，在這里可以設(shè)置一個周期為5，使用3個周期將圖形繪制完畢，我們之前學(xué)過的計數(shù)器大多都是模10和模16的，不設(shè)置一個周期為16的原因在于multisim沒有16位輸出的譯碼器，并且如果繪制的圖形更復(fù)雜，使用小的周期更方便拓展。在設(shè)計時最好使用帶有同步清零功能的74163芯片，同步清零能去掉我們的波形中的毛刺，設(shè)計好的計數(shù)器如下：

設(shè)計完了計數(shù)器后，再將計數(shù)器的信號輸入到譯碼器中，在這里我們使用的是3線-8線譯碼器，輸入接入的都是模5計數(shù)器的輸出，用模三計數(shù)器的輸出進行使能，確保一個時間段只會有一個譯碼器在進行工作，然后再考慮每一個譯碼器的輸出是什么即可。

現(xiàn)在需要將變化的電壓輸出到一個點上，思路是需要某一種開關(guān)，當(dāng)信號來臨的時候開關(guān)開，輸出這根導(dǎo)線的電壓，我們在模電課上學(xué)習(xí)過一種基本運算電路——加法運算電路

我們再回憶譯碼器的輸出，只有當(dāng)輸入ABC剛好對應(yīng)Yi時才是0，其他時候都是1，所以可以使用一個Not邏輯，使不輸出的時候電壓為0，這樣我們就可以將多個輸出同時連接到放大器的反向輸入端，當(dāng)Vi為0的時候這根導(dǎo)線電壓與電阻比值相乘為0，相當(dāng)于開關(guān)斷開，實現(xiàn)了我們所需要的功能，然后再通過每個時間點的電壓值計算所需要的電阻大小即可。對于上半波形來說，我們可以讓它再通過一個加法器，設(shè)置負反饋電阻的值和反向輸入端的值相等，即可做到翻轉(zhuǎn)電壓的功能，實現(xiàn)這部分功能的完整電路圖如下

至此便可以畫出完整的心形了！

但是這樣的心形只有輪廓卻沒有上色，如果能夠?qū)⒄w心涂成紅色就更完美了。

完整電路

為了實現(xiàn)心形填色,可以再添加一路方波信號,調(diào)節(jié)幅值并疊加在輪廓信號之上就可以實現(xiàn)上色效果了，將理想三極管的基極連接高頻信號控制三極管的開與關(guān)，集電極連接一個電阻后連向心形的輪廓電壓，當(dāng)理想三極管關(guān)閉時集電極的電壓等于輪廓電壓，當(dāng)理想三極管打開時集電極的電壓接近于0。

好了，今天的分享到這里，最后留給大家兩個思考題，歡迎在留言區(qū)里給出你們的想法，老師說留言也可以加分哦~~~

思考

1. 怎樣實現(xiàn)一個通道畫出上述的愛心？

2. 如何實現(xiàn)輸出任意字母的波形呢？

審核編輯：湯梓紅