北郵數(shù)電指數(shù)運算電路的設(shè)計實現(xiàn)分析實施報告

1、-指數(shù)運算電路的設(shè)計與實現(xiàn)實驗報告 ： 班級： *： 班序號：. z-目錄摘要關(guān)鍵字.3實驗?zāi)康?3實驗儀器與器件.3實驗任務(wù)要求.4設(shè)計思路和總體構(gòu)造框圖.4分塊電路原理. 5總體構(gòu)造框圖與電路原理總結(jié).6實現(xiàn)功能說明以及主要測試數(shù)據(jù).7故障及問題分析.10PROTEL繪制的原理圖. 15.面包板與PCB板.16所有元器件及測試儀表清單.17總結(jié)和心得體會.18參考文獻.18課題名稱：指數(shù)運算電路的設(shè)計與實現(xiàn)摘要：本實驗是進展指數(shù)運算電路功能的實現(xiàn)，而指數(shù)運算電路由對數(shù)放大電路、反對數(shù)放大電路和溫度補償電路組成，利用二極管的PN結(jié)的指數(shù)型伏安特性可實現(xiàn)對數(shù)運算。引入運算放大器，利用運算放大器

2、反向端的虛地特性，把PN結(jié)上的電壓電流關(guān)系轉(zhuǎn)化為電路的輸入輸出電壓關(guān)系，分別形成對數(shù)放大器和反對數(shù)放大器。由于晶體管相關(guān)參數(shù)UT 、IES都是溫度的函數(shù)，運算精度受溫度影響大，故加上溫度補償電路。關(guān)鍵詞：對數(shù)放大器、反對數(shù)放大器、溫度補償電路、指數(shù)特性、調(diào)試一、 實驗?zāi)康?. 了解對數(shù)放大器和反對數(shù)放大器的應(yīng)用。2. 掌握如何補償溫度對一些參數(shù)的影響的方法。3. 進一步熟練掌握運算放大器的工作原理和根本特性以及二極管的指數(shù)特性。4. 提高獨立設(shè)計電路和驗證實驗的能力。二、實驗所用儀器和器件1. 函數(shù)信號發(fā)生器2. 示波器3. 晶體管毫伏表4. 萬用表5. 直流穩(wěn)壓電OP07 4個、三極管805

3、0 4個、電阻電容假設(shè)干、導(dǎo)線、面包板等6. OP07的功能：OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓對于OP07A最大為25V，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低OP07A為±2nA和開環(huán)增益高對于OP07A為300V/mV的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。特點：超低偏移： 150V最大 。 低輸入偏置電流： 1.8nA 。 低失調(diào)電壓漂移： 0.5V/ 。 超穩(wěn)定，時間： 2V/month最大 高電源電壓圍：

4、 ±3V至±22V圖7 OP07外型圖片OP07芯片引腳功能說明： 1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳 6為輸出，7接電源+三、實驗原理 一、設(shè)計任務(wù)要求1根本要求：設(shè)計并實現(xiàn)一個指數(shù)運算電路，要求電路的輸出輸入滿足指數(shù)運算關(guān)系=，k的大小由電路中元器件參數(shù)決定，本實驗中可選擇K=2或者K=3。2設(shè)計指標(biāo)及給定條件為：1電路的輸入阻抗>100K。2輸入信號大小為12V。3.驗收容。設(shè)計該電路的電源電路不要際搭建，用PROTEL軟件繪制完整的電路原理圖SCH及印制電路板圖PCB。二、設(shè)計思路和總體構(gòu)造框圖1設(shè)計思路： 利用二極管P

5、N結(jié)的指數(shù)型伏安特性實現(xiàn)對數(shù)運算。引入運算放大器，利用運算放大器反向端的虛地特性，把PN結(jié)上的電壓電流關(guān)系轉(zhuǎn)化為電路的輸入輸出電壓關(guān)系，形成對數(shù)放大器。通過將電阻R與晶體管位置互換實現(xiàn)根本的反對數(shù)運算電路。參加溫度補償電路以消除溫度對運算精度的影響。實驗原理框圖：根本數(shù)學(xué)推導(dǎo)： u01= kln u0 = Beu01=Beklnui eklnui=u0/B兩邊取對數(shù)： klnui=ln uo/B uo/B=uik調(diào)整相關(guān)參數(shù)使B=1，即uo=uik。五、分塊電路原理分別包括對應(yīng)器件在電路中產(chǎn)生的作用，電路原理圖和實物連接圖。三、分塊電路和總體電路的設(shè)計1.根本對數(shù)運算電路 圖2對數(shù)放大器原理圖

6、如圖2所示：由運算放大器反向輸入端虛地特性，晶體管的基極與集電極短路，接成二極管形式，增加了集電極電流動態(tài)運用圍。此時，兩管腳電壓相等為0，工作在臨界放大狀態(tài)，則：其中IES為發(fā)射結(jié)反向飽和電流。輸出電壓幅度不能超過0.7V，且 ui >0以以保證晶體管處于放大導(dǎo)通狀態(tài)。式中，UT 、IES都是溫度的函數(shù)，其運算精度受溫度影響較大，故需加溫度補償電路。實際運用中要改善其溫度穩(wěn)定性。一般改善方法是：用對稱參數(shù)的晶體管消除IES的影響；用熱敏電阻補償溫度對UT 的影響。2加溫度補償電路的對數(shù)放大器 圖3 溫度補償電路圖3中A1，T1組成根本運算電路，A2，T2組成溫度補償電路。T1，T2兩管

7、的集電極電流分別為：T2的基極電位為：忽略T2的基極電流，則選擇T1，T2兩管參數(shù)對稱，IES1=IES2，則這樣，利用T1，T2兩管特性的一致性，可將IES的影響消除，選用具有正的溫度系數(shù)的熱敏電阻R4，可補償溫度對UT的影響。3反對數(shù)放大器將電阻R與晶體管的位置互換就構(gòu)成了根本的反對數(shù)運算電路。如以下圖所示：圖4 反對數(shù)運算電路 由二極管的特性可知：同對數(shù)運算電路一樣，為了消除溫度對運算精度的影響，也要進展溫度補償，有關(guān)方面的物理解釋是相似的，無需重復(fù)。 指的指出的是，對數(shù)放大器和反對數(shù)放大電路的二極管，必需工作在正向偏壓下，因此輸入信號只能是單極性的。4指數(shù)運算電路 如以下圖所示：圖5

8、指數(shù)運算電路A1、A2、T1、T4構(gòu)成具有溫度補償?shù)膶?shù)運算電路，其運算關(guān)系前面已詳細(xì)推導(dǎo)?？芍?，A3、A4、T3、T4構(gòu)成具有溫度補償?shù)姆磳?shù)運算電路，其運算關(guān)系如下：同樣，T3、T4選用特性一致的三極管，則：忽略T3基極電流，則要實現(xiàn)， 取， ，VR=15V，則R12=R15=100K，R6=R9=1.5M。所以。其中，取R1=R4=1K，R2=4.55K，R3=15.7K。則k=3.0093，u0=ui3。5完整的指數(shù)運算電路圖為了濾除高頻成分，需加一些電容，最終完整的電路如以下圖：圖6 完整電路圖4、 電路調(diào)試結(jié)果及分析1.實驗圖片以及波形圖：輸入和輸出的薩茹圖輸入和輸出的波形關(guān)系圖

9、 第一級電路A點(見原理圖A點)的輸出和輸入信號的關(guān)系圖第一級電路B點(見原理圖B點)的輸出和輸入信號的關(guān)系圖第二級電路C點(見原理圖C點)的輸出和輸入信號的關(guān)系圖 經(jīng)過幾組計算，得出輸出和輸入的關(guān)系為1.計算過程如下設(shè)：實驗組數(shù)VVK=13.210.243.140.3122.687.182.340.3231.803.241.000.3141.201.440.440.3150.760.5780.200.35表格中均為當(dāng)時輸入信號和輸出信號的峰峰值，由圖知此時輸出曲線和輸入曲線的下方相切于U=0V處，因此這種方法計算的數(shù)據(jù)是有效的。由表格中的數(shù)據(jù)可知，第5組數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)較小，誤差較大，故在計算結(jié)

10、果時舍去，最后綜合一下，取k=0.31。2.分析出現(xiàn)k的原因：由實驗原理中的關(guān)系式= 可見影響k值的原因是，當(dāng)嚴(yán)格滿足，時則有k=1，但在實際電路中不可能做到電阻阻值完全滿足設(shè)計值，因而出現(xiàn)了一個恒定系數(shù)k，且k=。 2.故障及問題分析： 1、電路連接后在示波器中顯示不了波形原因分析：電路連接錯誤，如三極管T1、T2集電極未和相應(yīng)運算放大器2管腳連接；面包板加正負(fù)極的時候出現(xiàn)錯誤。解決方法：重新將有錯誤的地方連接好，并且適當(dāng)?shù)倪M展電路的調(diào)整，調(diào)整三極管時可能要重新布線，并且把電源的正負(fù)極次重新連接。2、波形出現(xiàn)大量毛刺，并且很不穩(wěn)定原因分析：可能是電容跨接過運算放大器，造成比較大的干擾，還有可

11、能是因為缺少電容，導(dǎo)致有很多噪聲沒有濾除掉。解決方法：在電路可能出現(xiàn)噪聲的位置上試著加一個數(shù)值適宜的電容，觀察波形的變化情況，如果波形毛刺減少的話，就把電容值調(diào)大或者調(diào)??；至于跨接電容的問題，我們適當(dāng)?shù)膶㈦娙莸墓苣_遠(yuǎn)離運算放大器。3、電路布局不合理，局部電路元器件過密集，導(dǎo)致器件管腳相接處，未能得到正確波形。直流穩(wěn)壓電源接線口錯誤未能及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致電路元件被燒毀。4、輸出波形干擾過大：從第一級輸出波形開場，出現(xiàn)毛刺，最終輸出干擾很大。改良方法：在各運算放大器1、2引腳間引入150pf電容，同時第四個運放的2、6管腳間加上150pf的電容后，出現(xiàn)清晰波形。5、改變薩如圖的大小時，波形出現(xiàn)分支，該

12、現(xiàn)象由高頻成分引起。由于電容不能把高頻成分完全濾除，波形受到影響，電容本身也對電路有些許影響，通過降低輸入信號的頻率，分叉被消除。6、在調(diào)節(jié)波形時，波形的輸入幅度與電壓的偏置電壓offset不搭配，使得波形出現(xiàn)削頂失真或是削底失真，出現(xiàn)在輸入幅度較大時。五、面包板、電路原理圖SCH及印制電路板圖PCB 面包板連電路電路原理圖SCHPCB電路板圖PCB印制電路板3D視圖二、 實驗總結(jié)為期4周的電子電路綜合設(shè)計實驗讓我獲益匪淺，自己的動手能力得到了極大的提高，同時對模擬電子電路課程有了更加形象的認(rèn)識與理解。一培養(yǎng)獨立意識，動手能力本次電子電路綜合設(shè)計實驗從選題到最終驗收都是完全自主完成，自己弄懂實

13、驗原理，查芯片功能，分析電路各局部的功能與實現(xiàn)方法，一步一步的去完成自己的“作品。剛開場查資料時，完全一頭霧水，但慢慢的靠自己的力量去學(xué)習(xí)去探索，最后終于順利的完成了我的作品，我受益很多。二培養(yǎng)耐心，細(xì)心，毅力。搭電路板要耐心，首先要對整體進展大致劃分，注意美觀，再一塊一塊的去搭，這樣糾錯就可以分塊兒糾錯，減少工作量。電路板很主要，電路板搭不好就不能實現(xiàn)相應(yīng)的功能。我的電路板還算順利，導(dǎo)線根本都在面包板外表，但是由于導(dǎo)線和元器件比較多，整個板子看上去很滿，每次測試要注意元器件的金屬局部有木有接觸，注意分開。板子我反反復(fù)復(fù)對了三遍，最后才完全出了波形，我很開心，自己的付出是值得的。三調(diào)試要耐心，

14、分級調(diào)試波形輸出錯誤時不要緊，調(diào)試時首先要認(rèn)真檢查自己的面包板，確認(rèn)無誤后，從電路開端開場分級檢查，用示波器檢查每一局部的輸出波形是否符合要求，進展分級糾錯。如果電路檢查無誤仍無法出現(xiàn)預(yù)定波形，就要考慮是否為芯片問題，更換芯片再次進展檢查。四檢查波形，測量數(shù)據(jù)按照實驗要求測量數(shù)據(jù)，要及時記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)能夠反映這個實驗隱含的“秘密，幫助我更好的完成實驗。五要鎮(zhèn)定，不慌我剛搭的電路輸出波形嚴(yán)重失真，我查了一些資料，然后慢慢調(diào)試，換了很多元器件，最后它一點點的越來越好，做實驗不能慌，有問題要悉心鉆研，總會解決的。六學(xué)到很多東西了解了很多元器件的特征和功能，搭復(fù)雜的電路板，制作PCB，學(xué)會新軟件的應(yīng)用，學(xué)會寫一份嚴(yán)密專業(yè)的報告。七缺乏與遺憾 由于時間有限，我沒能完成拓展功能，而且也有很多的缺乏和遺憾，我會吸取這些教訓(xùn)，爭取以后的實驗過程中不做無用功。以后有時機我會去進展深入的研究與探索去完成拓展功能和其他，鉆研是一種享受，我越來越喜歡這種感覺。此次