指數(shù)運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容

1、精品文檔精品文檔精品文檔精品文檔精品文檔精品文檔電子電路綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：指數(shù)運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)姓名：班級(jí)： 學(xué)號(hào)班內(nèi)序號(hào)：院系：信息與通信工程學(xué)院專業(yè)： 通信工程指數(shù)運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：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)特性設(shè)

2、計(jì)任務(wù)要求1基本要求：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uo=uik，k的大小由電路中元器件參數(shù)決定，本實(shí)驗(yàn)中K=3。2設(shè)計(jì)指標(biāo)及給定條件為：（1）電路的輸入阻抗Ri 100K。（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)思路和總體結(jié)構(gòu)框圖1設(shè)計(jì)思路： 利用二極管PN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)基本的反

3、對(duì)數(shù)運(yùn)算電路。加入溫度補(bǔ)償電路以消除溫度對(duì)運(yùn)算精度的影響。2.原理框圖：原理框圖如下圖所示： 圖1 原理框圖 基本數(shù)學(xué)推導(dǎo)： u01= klnuiu0 = Beu01=Beklnuieklnui=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（本實(shí)驗(yàn)k=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 圖2對(duì)數(shù)放大器原理圖如圖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)用范圍。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

4、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組成基本運(yùn)算電路，A2，T2組成溫度補(bǔ)償電路。T1，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)

5、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)成了基本的反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路。如下圖所示：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)行溫度補(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 如下圖所示：圖5 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

6、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，最終完整的電路如下圖：圖6 完整電路圖附：集成運(yùn)算放大器OP07資料OP07的功能介紹：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OP07

7、A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最大高電源電壓范圍： 3V至22V圖7 OP07外型圖片OP07芯片HYPERLINK 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+五所實(shí)現(xiàn)的功能說明電路實(shí)現(xiàn)功能：1、電路的輸入輸出滿足指數(shù)運(yùn)算關(guān)系uo=ui3 。2、電路的輸入阻抗Ri 100K。主要測(cè)試數(shù)據(jù)：1、輸入信號(hào)大小為

8、02V的三角波及正弦波，觀察到輸入輸出的李薩如圖為標(biāo)準(zhǔn)的指數(shù)上升曲線，且指數(shù)K=3，實(shí)現(xiàn)了指數(shù)運(yùn)算功能，滿足了實(shí)驗(yàn)基本要求。同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：ui0V1V1.5V2Vuo（正弦波）0V1V3.4V7.8Vuo（三角波）0V1V3.3V7.8V1.建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)分類管理的原則規(guī)定2、用如下圖所示方法測(cè)量電路輸入阻抗：例題-2006年真題下列關(guān)于建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)實(shí)行分類管理的表述，正確的是（）則Ri=VI/Ii=Vi/(Vs-Vi)/R=ViR/Vs-Vi測(cè)試數(shù)據(jù)為：R=110 KVs=826mVVi=489mV計(jì)算得Ri=159.6 K必要的測(cè)試方法（3）機(jī)會(huì)成本法1、將輸入端接入

9、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，輸入三角波，加入適當(dāng)大小的直流分量使得Ui=0；用示波器觀察輸入和輸出波形：分別觀察并分析輸入（CH1）、輸出(CH2)波形和李薩如圖，記錄測(cè)量結(jié)果，計(jì)算k值。對(duì)對(duì)數(shù)運(yùn)算電路和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路要分別實(shí)行分級(jí)測(cè)試，然后再進(jìn)行整體調(diào)試。2、輸入阻抗測(cè)試方法：用如下圖所示方法測(cè)量電路輸入阻抗：則Ri=VI/Ii=Vi/(Vs-Vi)/R=ViR/Vs-Vi六故障及問題分析在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的故障有：1、檢查電路連接錯(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；電路多次重新布線導(dǎo)致多線；對(duì)面包板結(jié)構(gòu)不熟悉導(dǎo)致接地、加正負(fù)電源時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致運(yùn)算放大器被燒毀。安全評(píng)價(jià)的原理可歸

10、納為四個(gè)基本原理，即相關(guān)性原理、類推原理、慣性原理和量變到質(zhì)變?cè)怼?、電路布局不合理，部分電路元器件過密集，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。3、經(jīng)多次檢查確認(rèn)后，電路連接正確，輸出卻沒有得到正確的波形，僅有直流成分。因而從第一級(jí)運(yùn)放的輸入、輸出端口開始檢查，將示波器接入第一級(jí)運(yùn)放6管腳處時(shí)發(fā)現(xiàn)第一級(jí)運(yùn)放沒有輸出，在老師的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)該運(yùn)算放大器被燒毀，更換運(yùn)算放大器后出現(xiàn)輸出波形。B.環(huán)境影響登記表4、輸出波形干擾過大：從第一級(jí)輸出波形開始，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

11、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、改變李薩如圖的大小時(shí)，波形出現(xiàn)分叉，通過查詢有關(guān)資料得知是由于高頻成分引起的。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。七實(shí)驗(yàn)總結(jié)和結(jié)論通過6次實(shí)驗(yàn)，終于完成了本次實(shí)驗(yàn)的基本要求。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我投入了很多時(shí)間和經(jīng)歷，也有了很多收獲：1、在連接電路前，要對(duì)面包板的實(shí)用和元器件的分布有初步的規(guī)劃，盡量減少導(dǎo)線的使用同時(shí)要保證器件不要過于密集防止管腳相碰出現(xiàn)短路。2、當(dāng)未得到正確的輸出結(jié)果時(shí)，不要急于重新布線，連接電路，應(yīng)學(xué)會(huì)分塊調(diào)試：從第一級(jí)的輸入、輸出開始，用示波器

12、觀察相應(yīng)的波形，找到出問題的部分，再調(diào)整電路及元件。3、使用運(yùn)算放大器時(shí)要格外注意正負(fù)電壓正確接入相應(yīng)的管腳，接地處要接實(shí)，否則容易燒壞元件。4、適當(dāng)引入電容，可以毛刺，使輸出波形更加完美。1.建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的資質(zhì)管理5、通過實(shí)驗(yàn)對(duì)對(duì)數(shù)放大電路、反對(duì)數(shù)放大電路及溫度補(bǔ)償電路加深了理解。例題-2005年真題中華人民共和國(guó)環(huán)境影響評(píng)價(jià)法規(guī)定，建設(shè)項(xiàng)目可能造成輕度環(huán)境影響的，應(yīng)當(dāng)編制（）。6、通過本次試驗(yàn)，將理論與實(shí)際相結(jié)合，提高了獨(dú)立設(shè)計(jì)、調(diào)試電路的能力，對(duì)運(yùn)算放大器、晶體管的特性加深了理解。提高了獨(dú)立學(xué)習(xí)、思考的能力。同時(shí)鍛煉了細(xì)心和耐心。7、通過老師的講解和課下的學(xué)習(xí)，對(duì)PROTEL DXP軟件的基本操作有了一定的了解和掌握。 八PROTEL繪制的原理圖及PCB圖電路原理圖：1.準(zhǔn)備階段 PCB圖：九所用元器件及測(cè)試儀表清單 1所用元器件：集成運(yùn)算