模擬電路指數(shù)運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、模 電 綜 合 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 指數(shù)運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：指數(shù)放大電路由對(duì)數(shù)放大電路和反對(duì)數(shù)放大電路及溫度補(bǔ)償電路構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)基于二極管PN節(jié)的指數(shù)伏安特性實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)反對(duì)數(shù)運(yùn)算，用三極管替代PN節(jié)以增加集電極電流動(dòng)態(tài)運(yùn)用范圍。同時(shí)引入運(yùn)放放大器，把PN節(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。由于晶體管的相關(guān)參數(shù) ，是溫度函數(shù)，其運(yùn)算精度受溫度影響較大，故加上溫度補(bǔ)償電路關(guān)鍵詞：對(duì)數(shù)放大電路、反對(duì)數(shù)放大電路、溫度補(bǔ)償電路，調(diào)試一設(shè)計(jì)任務(wù)要求：1. 基本要求：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)指數(shù)運(yùn)算電路，要求電路的輸入輸出滿足指數(shù)運(yùn)算關(guān)系,本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的k=3.2. 此外要滿足：【1】電路的輸入阻抗100K。

2、【2】.輸入信號(hào)大小為015V【3】設(shè)計(jì)該電路的電源電路（不要求實(shí)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(jì)思路及總體結(jié)構(gòu)框圖【1】.設(shè)計(jì)思路：利用二極管的PN結(jié)的指數(shù)型伏安特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算。通過電阻與晶體管位置的互換實(shí)現(xiàn)反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路。加入溫度補(bǔ)償電路，消除溫度對(duì)三極管參數(shù)的影響。利用運(yùn)算放大器反向端的虛地特性，通過確定電路圖中R5的值，使之滿足100k 【2】.原理框圖如下：（1）由對(duì)數(shù)放大器和反對(duì)數(shù)放大器及溫度補(bǔ)償電路溫度補(bǔ)償電路反對(duì)數(shù)放大電路對(duì)數(shù)放大電路溫度補(bǔ)償電路基本數(shù)學(xué)推導(dǎo): 兩邊取對(duì)數(shù): 調(diào)整相關(guān)參數(shù)使B=1 即，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置K=3

3、三分塊電路和總體電路的設(shè)計(jì)（1）基本對(duì)數(shù)運(yùn)算電路如圖所示：利用虛地特性三極管Q2工作在=0的臨界放大狀態(tài) 則： = = 但該電路存在兩個(gè)問題：必須為正則為負(fù)，以使晶體管處于放大導(dǎo)通狀態(tài)；，都是溫度的函數(shù)，其運(yùn)算結(jié)果受溫度影響很大，如何改善對(duì)數(shù)放大器的溫度穩(wěn)定性是實(shí)際應(yīng)用中要解決的一個(gè)重要問題。一般改善方法是：用對(duì)管消除的影響；用熱敏電阻補(bǔ)償?shù)臏囟扔绊?。?）加溫度補(bǔ)償?shù)膶?duì)數(shù)放大器 圖中:A1 ,TI 組成基本運(yùn)算電路.A2 ,T2組成溫度補(bǔ)償電路TI, T2兩管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TI, T2兩管參數(shù)對(duì)稱,則這樣,利用TI, T2兩管特性的一致

4、性,可將的影響消除。（3）加溫度補(bǔ)償?shù)姆磳?duì)數(shù)放大器由二極管特性可知：同對(duì)數(shù)運(yùn)算電路一樣,為了消除溫度對(duì)運(yùn)算精度的影響,也要進(jìn)行溫度補(bǔ)償有關(guān)方面的物理解釋是相似的,無(wú)需重復(fù)。值得指出的是, 對(duì)數(shù)放大器和反對(duì)數(shù)放大器的二極管,必須工作在正向偏壓下,因此輸入信號(hào)只能是單極性的。完整的電路圖如下： 圖中：A1，T1，A4，T4組成基本運(yùn)算電路。A2，T2，A3,T3組成溫度補(bǔ)償電路。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(shí)現(xiàn)，取，則R12=R15=100K，R6=R9=1.5M。所以，。其中，K=，取R1=R4=1K，R2=4.55K，R3=15.7K。則K=3.009，。

5、4. PROTEL繪制最終電路圖：四所實(shí)現(xiàn)功能說明及測(cè)試實(shí)現(xiàn)的功能： 1.對(duì)應(yīng)基本實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求Ri100K. 理論值Ri=R5=100K，在運(yùn)放虛地特性良好的情況下 。輸入阻抗的要求肯定滿足的。 2.輸入信號(hào)大小為0-2V的三角波 。 輸入信號(hào)為1V時(shí)，輸出信號(hào)為1V.輸入信號(hào)為2V時(shí)，輸出信號(hào)為8V。最后的輸入輸出的李薩如圖為標(biāo)準(zhǔn)的指數(shù)上升曲線。達(dá)到實(shí)驗(yàn)基本要求。 3.主要測(cè)試數(shù)據(jù)：Ui=1V Uo=1V；Ui=1.1V Uo=1.3V；Ui=1.2V Uo=1.7V；Ui=1.5V Uo=3.4V；Ui=2V Uo=8V。4.測(cè)試及調(diào)試過程：必要的測(cè)試方法:在輸入端接入的是函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，

6、用以輸入三角波。運(yùn)算放大器加入的是正負(fù)15V的直流電壓。輸入和輸出端用示波器進(jìn)行檢測(cè)。輸入信號(hào)源的三角波含直流成分（0-2V），輸出結(jié)果的正確與否是通過用示波器對(duì)輸入輸出波形的李薩如圖進(jìn)行觀測(cè)和分析來進(jìn)行測(cè)試的。對(duì)對(duì)數(shù)電路和反對(duì)數(shù)電路要分級(jí)測(cè)試。五故障及問題分析基本常見故障的避免，有效地調(diào)試準(zhǔn)備：檢查電路連線是否正確，包括錯(cuò)線、少線和多線。按照電路圖檢查安裝的線路；準(zhǔn)備測(cè)試設(shè)備：要準(zhǔn)備好測(cè)量?jī)x器和測(cè)試設(shè)備，檢查是否處于良好的工作狀態(tài)，檢查測(cè)量?jī)x器和測(cè)試設(shè)備的功能選擇開關(guān)、量程擋位是否處于正確的位置，尤其要注意測(cè)量?jī)x器和測(cè)試設(shè)備的精度是否符合技術(shù)文件規(guī)定的要求，能否滿足測(cè)試精度的需要；檢查導(dǎo)線及

7、電阻等相關(guān)器件的正常特性 使用萬(wàn)用表；電源供電（包括極性）、信號(hào)源連線是否正確檢查直流極性是否正確，信號(hào)線是否連接正確。并且用電壓表測(cè)試保證直流電源輸出符合要求； 檢查元、器件引腳之間有無(wú)短路，連接處有無(wú)接觸不良，二極管、三極管、集成電路和電解電容極性等是否連接有誤。 主要通過合理布線，避免面包板上相鄰元器件的管腳短接。經(jīng)過上述的檢測(cè)，仍然出現(xiàn)了如下的問題：1.連接好電路并加上直流電源和交流電源之后輸出端沒有波形的輸出：直流電源的負(fù)電壓接反了，應(yīng)該紅夾子接地，黑夾子接負(fù)電源端，導(dǎo)致運(yùn)放沒有進(jìn)入工作狀態(tài)，屬于斷路狀態(tài)；運(yùn)算放大器被燒毀，這通過通過儀器檢測(cè)和元件更換得到解決。在以上問題都排查檢驗(yàn)確

8、實(shí)無(wú)誤后，又出現(xiàn)下列情況：【1】對(duì)數(shù)放大電路的波形基本符合理想情況,且按照教材所列出的電容加上后，第一級(jí)輸出沒有干擾，濾波很好。這是在沒有考慮倍數(shù)的前提條件下。而在第二級(jí)的測(cè)試中，輸出波形雖然大體滿足指數(shù)函數(shù)的形狀，但干擾很大。這時(shí)通過不斷的嘗試在第四個(gè)運(yùn)放的1，2腳加了151pf的電容后（課本上沒有），波形穩(wěn)定且無(wú)干擾。【2】 最初 據(jù)輸入輸出的里薩如圖顯示知放大倍數(shù)差得很遠(yuǎn)，2V的輸入信號(hào)經(jīng)指數(shù)放大電路后輸出電壓只在1V附近。這時(shí)檢查電路后發(fā)現(xiàn)四個(gè)三極管8050的型號(hào)不同，更換后波形稍有改善?！?】雖有改善，但倍數(shù)還差的很遠(yuǎn)，考慮到倍數(shù)的K跟R1,R2,R3,R4.的比值有關(guān)，而且電阻的組

9、織存在誤差，面包板的情況也不一樣。通過給R1串電阻，R2并電阻，輸出的幅值有很大改善，基本達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。【4】但1V的輸入的對(duì)應(yīng)不到1V的輸出，也就是b的值不等于1.這主要是和R9,R12,R5,R6 有關(guān)。通過并上大電阻給阻值稍作修正。【5】電源電壓15V跟電路的準(zhǔn)確值也很有關(guān)系，可以對(duì)其稍加調(diào)整； 最后，經(jīng)過多次調(diào)整，出來的波形無(wú)論數(shù)值還是波形上都達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求，效果很好。六、總結(jié)和結(jié)論 1.這次實(shí)驗(yàn)主要是提高我們對(duì)綜合實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知和學(xué)會(huì)靈活的運(yùn)用上學(xué)期做實(shí)驗(yàn)所學(xué)會(huì)的技能；2.提高了獨(dú)立學(xué)習(xí)能力，實(shí)驗(yàn)仿真所用的PROTEL DXP，Pspice，均是通過查閱相關(guān)書籍，才學(xué)會(huì)了相關(guān)操作，但感覺

10、這兩個(gè)軟件在元件的查找上都有一定的困難，同時(shí)仿真過程出現(xiàn)問題極多，至今仍未獲得完整電路的仿真圖，仿真錯(cuò)誤在相關(guān)位置均有提及；3.更為深刻的理解到模電實(shí)驗(yàn)所需要的嚴(yán)謹(jǐn)性，譬如布線的規(guī)范性如達(dá)不到也會(huì)產(chǎn)生影響，尤其在此次實(shí)驗(yàn)，由于考慮到電容充放電效應(yīng)帶來的影響，電容取值較小以消除高頻，但這樣，線間的電容電感效應(yīng)就足以對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響；4. 通過實(shí)驗(yàn)對(duì)對(duì)數(shù)放大器和反對(duì)數(shù)放大器的有了比較深刻的理解，同時(shí)也更好理解了溫度補(bǔ)償對(duì)運(yùn)算精度的影響。總的來說，這次綜合實(shí)驗(yàn)確實(shí)相對(duì)以前需要更多的知識(shí)，更強(qiáng)的能力，因此也使在實(shí)驗(yàn)的過程中學(xué)到了更多，提高了自己動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及單獨(dú)完成實(shí)驗(yàn)的能力，也學(xué)會(huì)了思考，將所學(xué)的知識(shí)用到電路實(shí)際應(yīng)用中。六、PROTEL繪制的原理圖及PCB制板圖七、所用儀器及器件清單1所用元器件： 集成運(yùn)算放大器OP07（4個(gè)）三極管8050（4個(gè)）電阻：1.5M(4個(gè)),100K(4個(gè)),