北郵數(shù)電指數(shù)運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)分析實(shí)施報(bào)告

1、-指數(shù)運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 ： 班級(jí)： *： 班序號(hào)：. z-目錄摘要關(guān)鍵字.3實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3實(shí)驗(yàn)儀器與器件.3實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求.4設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)功能說明以及主要測(cè)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(cè)試儀表清單.17總結(jié)和心得體會(huì).18參考文獻(xiàn).18課題名稱：指數(shù)運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：本實(shí)驗(yàn)是進(jìn)展指數(shù)運(yùn)算電路功能的實(shí)現(xiàn)，而指數(shù)運(yùn)算電路由對(duì)數(shù)放大電路、反對(duì)數(shù)放大電路和溫度補(bǔ)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(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算。引入運(yùn)算放大器，利用運(yùn)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(duì)數(shù)放大器和反對(duì)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(yùn)算精度受溫度影響大，故加上溫度補(bǔ)償電路。關(guān)鍵詞：對(duì)數(shù)放大器、反對(duì)數(shù)放大器、溫度補(bǔ)償電路、指數(shù)特性、調(diào)試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解對(duì)數(shù)放大器和反對(duì)數(shù)放大器的應(yīng)用。2. 掌握如何補(bǔ)償溫度對(duì)一些參數(shù)的影響的方法。3. 進(jìn)一步熟練掌握運(yùn)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(dú)立設(shè)計(jì)電路和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的能力。二、實(shí)驗(yàn)所用儀器和器件1. 函數(shù)信號(hào)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(gè)、三極管805

3、0 4個(gè)、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(yùn)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(duì)于OP07A最大為25V，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低OP07A為±2nA和開環(huán)增益高對(duì)于OP07A為300V/mV的特點(diǎn)，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(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。特點(diǎn)：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(shí)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(shí)驗(yàn)原理 一、設(shè)計(jì)任務(wù)要求1根本要求：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)指數(shù)運(yùn)算電路，要求電路的輸出輸入滿足指數(shù)運(yùn)算關(guān)系=，k的大小由電路中元器件參數(shù)決定，本實(shí)驗(yàn)中可選擇K=2或者K=3。2設(shè)計(jì)指標(biāo)及給定條件為：1電路的輸入阻抗>100K。2輸入信號(hào)大小為12V。3.驗(yàn)收容。設(shè)計(jì)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(jì)思路和總體構(gòu)造框圖1設(shè)計(jì)思路： 利用二極管P

5、N結(jié)的指數(shù)型伏安特性實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算。引入運(yùn)算放大器，利用運(yùn)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(duì)數(shù)放大器。通過將電阻R與晶體管位置互換實(shí)現(xiàn)根本的反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路。參加溫度補(bǔ)償電路以消除溫度對(duì)運(yùn)算精度的影響。實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)應(yīng)器件在電路中產(chǎn)生的作用，電路原理圖和實(shí)物連接圖。三、分塊電路和總體電路的設(shè)計(jì)1.根本對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 圖2對(duì)數(shù)放大器原理圖

6、如圖2所示：由運(yùn)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(dòng)態(tài)運(yùn)用圍。此時(shí)，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(yùn)算精度受溫度影響較大，故需加溫度補(bǔ)償電路。實(shí)際運(yùn)用中要改善其溫度穩(wěn)定性。一般改善方法是：用對(duì)稱參數(shù)的晶體管消除IES的影響；用熱敏電阻補(bǔ)償溫度對(duì)UT 的影響。2加溫度補(bǔ)償電路的對(duì)數(shù)放大器 圖3 溫度補(bǔ)償電路圖3中A1，T1組成根本運(yùn)算電路，A2，T2組成溫度補(bǔ)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(duì)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(bǔ)償溫度對(duì)UT的影響。3反對(duì)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(duì)數(shù)運(yùn)算電路。如以下圖所示：圖4 反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 由二極管的特性可知：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)展溫度補(bǔ)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(duì)數(shù)放大器和反對(duì)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(hào)只能是單極性的。4指數(shù)運(yùn)算電路 如以下圖所示：圖5

8、指數(shù)運(yùn)算電路A1、A2、T1、T4構(gòu)成具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?duì)數(shù)運(yùn)算電路，其運(yùn)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(bǔ)償?shù)姆磳?duì)數(shù)運(yùn)算電路，其運(yùn)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(shí)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(jí)電路A點(diǎn)(見原理圖A點(diǎn))的輸出和輸入信號(hào)的關(guān)系圖第一級(jí)電路B點(diǎn)(見原理圖B點(diǎn))的輸出和輸入信號(hào)的關(guān)系圖第二級(jí)電路C點(diǎn)(見原理圖C點(diǎn))的輸出和輸入信號(hào)的關(guān)系圖 經(jīng)過幾組計(jì)算，得出輸出和輸入的關(guān)系為1.計(jì)算過程如下設(shè)：實(shí)驗(yàn)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(shí)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的峰峰值，由圖知此時(shí)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(jì)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(jì)算結(jié)

10、果時(shí)舍去，最后綜合一下，取k=0.31。2.分析出現(xiàn)k的原因：由實(shí)驗(yàn)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(shí)則有k=1，但在實(shí)際電路中不可能做到電阻阻值完全滿足設(shè)計(jì)值，因而出現(xiàn)了一個(gè)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(cuò)誤，如三極管T1、T2集電極未和相應(yīng)運(yùn)算放大器2管腳連接；面包板加正負(fù)極的時(shí)候出現(xiàn)錯(cuò)誤。解決方法：重新將有錯(cuò)誤的地方連接好，并且適當(dāng)?shù)倪M(jìn)展電路的調(diào)整，調(diào)整三極管時(shí)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(yùn)算放大器，造成比較大的干擾，還有可

11、能是因?yàn)槿鄙匐娙荩瑢?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(gè)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(yùn)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(cuò)誤未能及時(shí)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(jí)輸出波形開場(chǎng)，出現(xiàn)毛刺，最終輸出干擾很大。改良方法：在各運(yùn)算放大器1、2引腳間引入150pf電容，同時(shí)第四個(gè)運(yùn)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(shí)，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(duì)電路有些許影響，通過降低輸入信號(hào)的頻率，分叉被消除。6、在調(diào)節(jié)波形時(shí)，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(shí)。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(shí)驗(yàn)總結(jié)為期4周的電子電路綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)讓我獲益匪淺，自己的動(dòng)手能力得到了極大的提高，同時(shí)對(duì)模擬電子電路課程有了更加形象的認(rèn)識(shí)與理解。一培養(yǎng)獨(dú)立意識(shí)，動(dòng)手能力本次電子電路綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)從選題到最終驗(yàn)收都是完全自主完成，自己弄懂實(shí)

13、驗(yàn)原理，查芯片功能，分析電路各局部的功能與實(shí)現(xiàn)方法，一步一步的去完成自己的“作品。剛開場(chǎng)查資料時(shí)，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(duì)整體進(jìn)展大致劃分，注意美觀，再一塊一塊的去搭，這樣糾錯(cuò)就可以分塊兒糾錯(cuò)，減少工作量。電路板很主要，電路板搭不好就不能實(shí)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(gè)板子看上去很滿，每次測(cè)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(duì)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(jí)調(diào)試波形輸出錯(cuò)誤時(shí)不要緊，調(diào)試時(shí)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(chǎng)分級(jí)檢查，用示波器檢查每一局部的輸出波形是否符合要求，進(jìn)展分級(jí)糾錯(cuò)。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(jìn)展檢查。四檢查波形，測(cè)量數(shù)據(jù)按照實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量數(shù)據(jù)，要及時(shí)記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)能夠反映這個(gè)實(shí)驗(yàn)隱含的“秘密，幫助我更好的完成實(shí)驗(yàn)。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(diǎn)點(diǎn)的越來越好，做實(shí)驗(yàn)不能慌，有問題要悉心鉆研，總會(huì)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(huì)新軟件的應(yīng)用，學(xué)會(huì)寫一份嚴(yán)密專業(yè)的報(bào)告。七缺乏與遺憾 由于時(shí)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(huì)吸取這些教訓(xùn)，爭(zhēng)取以后的實(shí)驗(yàn)過程中不做無用功。以后有時(shí)機(jī)我會(huì)去進(jìn)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