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电子电路综合设计实验报告实验名称指数运算电路的设计与实现姓名班级学号班内序号院系信息与通信工程学院专业通信工程指数运算电路的设计与实现摘要指数运算电路由对数放大电路、__数放大电路和温度补偿电路组成利用二极管的PN结的指数型伏安特性可实现对数运算引入运算放大器,利用运算放大器反向端的虚地特性,把PN结上的电压电流关系转化为电路的输入输出电压关系,分别形成对数放大器和__数放大器由于晶体管相关参数UT、IES都是温度的函数,运算精度受温度影响大,故加上温度补偿电路关键词对数放大器、__数放大器、温度补偿电路、指数特性
1、设计任务要求1.基本要求设计并实现一个指数运算电路,要求电路的输出输入满足指数运算关系uo=uik,k的大小由电路中元器件参数决定,本实验中K=32.设计指标及给定条件为
(1)电路的输入阻抗Ri100KΩ
(2)输入__大小为0~15V
(3)设计该电路的电源电路(不要求实际搭建),用PROTEL软件绘制完整的电路原理图(SCH)及印制电路板图(PCB)
二、设计思路和总体结构框图1.设计思路利用二极管PN结的指数型伏安特性实现对数运算引入运算放大器,利用运算放大器反向端的虚地特性,把PN结上的电压电流关系转化为电路的输入输出电压关系,形成对数放大器通过将电阻R与晶体管位置互换实现基本的__数运算电路加入温度补偿电路以消除温度对运算精度的影响
2.原理框图原理框图如下图所示图1原理框图基本数学推导u01=klnuiu0=Beu01=Beklnuieklnui=u0/B两边取对数klnui=lnuo/Buo/B=uik调整相关参数使B=1,即uo=uik(本实验k=3)
三、分块电路和总体电路的设计
1.基本对数运算电路图2对数放大器原理图如图2所示由运算放大器反向输入端虚地特性,晶体管的基极与集电极短路,接成二极管形式,增加了集电极电流动态运用范围此时,两管脚电压相等为0,工作在临界放大状态,则其中IES为发射结反向饱和电流输出电压幅度不能超过
0.7V,且ui0以以保证晶体管处于放大导通状态式中,UT、IES都是温度的函数,其运算精度受温度影响较大,故需加温度补偿电路实际运用中要改善其温度稳定性一般改善方法是用对称参数的晶体管消除IES的影响;用热敏电阻补偿温度对UT的影响2.加温度补偿电路的对数放大器图3温度补偿电路图3中A1,T1组成基本运算电路,A2,T2组成温度补偿电路T1,T2两管的集电极电流分别为T2的基极电位为忽略T2的基极电流,,则选择T1,T2两管参数对称,IES1=IES2,则这样,利用T1,T2两管特性的一致性,可将IES的影响消除,选用具有正的温度系数的热敏电阻R4,可补偿温度对UT的影响3.__数放大器将电阻R与晶体管的位置互换就构成了基本的__数运算电路如下图所示图4__数运算电路由二极管的特性可知同对数运算电路一样,为了消除温度对运算精度的影响,也要进行温度补偿,有关方面的物理解释是相似的,无需重复指的指出的是,对数放大器和__数放大电路的二极管,必需工作在正向偏压下,因此输入__只能是单极性的4.指数运算电路如下图所示图5指数运算电路A
1、A
2、T
1、T4构成具有温度补偿的对数运算电路,其运算关系前面已详细推导可知,A
3、A
4、T
3、T4构成具有温度补偿的__数运算电路,其运算关系如下同样,T
3、T4选用特性一致的三极管,则忽略T3基极电流,则要实现,取,,VR=15V,则R12=R15=100K,R6=R9=
1.5M所以其中,取R1=R4=1K,R2=
4.55K,R3=
15.7K则k=
3.009≈3,u0=ui35.完整的指数运算电路图为了滤除高频成分,需加一些电容,最终完整的电路如下图图6完整电路图附集成运算放大器OP07资料OP07的功能介绍OP07芯片是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于OP07A最大为25μV),所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A为±2nA)和开环增益高(对于OP07A为300V/mV)的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱__等方面特点超低偏移150μV最大低输入偏置电流
1.8nA低失调电压漂移
0.5μV/℃超稳定,时间2μV/month最大高电源电压范围±3V至±22VHYPERLINKhttp://www.838dz.com/d/file/ad/PCB/2009-05-16/435b977c80e838e9100aee1f80becabe.jpgINCLUDEPICTUREhttp://www.838dz.com/d/file/ad/PCB/2009-05-16/435b977c80e838e9100aee1f80becabe.jpg\*MERGEFORMAT图7OP07外型__HYPERLINKhttp://www.838dz.com/d/file/ad/PCB/2009-05-16/56838cdf30ff8cde5809050061d937f
0.jpgINCLUDEPICTUREhttp://www.838dz.com/d/file/ad/PCB/2009-05-16/56838cdf30ff8cde5809050061d937f
0.jpg\*MERGEFORMATOP07芯片引脚功能说明1和8为偏置平衡调零端,2为反向输入端,3为正向输入端,4接地,5空脚6为输出,7接电源+五.所实现的功能说明电路实现功能
1、电路的输入输出满足指数运算关系uo=ui
32、电路的输入阻抗Ri100KΩ主要测试数据
1、输入__大小为0~2V的三角波及正弦波,观察到输入输出的李萨如图为标准的指数上升曲线,且指数K=3,实现了指数运算功能,满足了实验基本要求同时记录实验数据如下ui0V1V
1.5V2Vuo(正弦波)0V1V
3.4V
7.8Vuo(三角波)0V1V
3.3V
7.8V
2、用如下图所示方法测量电路输入阻抗则Ri=VI/Ii=Vi/Vs-Vi/R=ViR/Vs-Vi测试数据为R=110KΩVs=826mVVi=4__mV计算得Ri=
159.6KΩ必要的测试方法
1、将输入端接入函数__发生器,输入三角波,加入适当大小的直流分量使得Ui=0;用示波器观察输入和输出波形分别观察并分析输入(CH1)、输出CH2波形和李萨如图,记录测量结果,计算k值对对数运算电路和__数运算电路要分别实行分级测试,然后再进行整体调试
2、输入阻抗测试方法用如下图所示方法测量电路输入阻抗则Ri=VI/Ii=Vi/Vs-Vi/R=ViR/Vs-Vi六.故障及问题分析在实验过程中出现的故障有
1、检查电路连接错误,如三极管T
1、T2集电极未和相应运算放大器2管脚连接;电路多次重新布线导致多线;对面包板结构不熟悉导致接地、加正负电源时出现错误,导致运算放大器被烧毁
2、电路布局不合理,部分电路元器件过密集,导致器件管脚相接处,未能得到正确波形直流稳压电源接线口错误未能及时发现,导致电路元件被烧毁
3、经多次检查确认后,电路连接正确,输出却没有得到正确的波形,仅有直流成分因而从第一级运放的输入、输出端口开始检查,将示波器接入第一级运放6管脚处时发现第一级运放没有输出,在老师的指导下发现该运算放大器被烧毁,更换运算放大器后出现输出波形
4、输出波形干扰过大从第一级输出波形开始,出现毛刺,最终输出干扰很大改良方法在各运算放大器
1、2引脚间引入150pf电容,同时第四个运放的
2、6管脚间加上150pf的电容后,出现清晰波形
5、改变李萨如图的大小时,波形出现分叉,通过查询有关资料得知是由于高频成分引起的由于电容不能把高频成分完全滤除,波形受到影响,电容本身也对电路有些许影响,通过降低输入__的频率,分叉被消除七.实验总结和结论通过6次实验,终于完成了本次实验的基本要求在这个实验中,我投入了很多时间和经历,也有了很多收获
1、在连接电路前,要对面包板的实用和元器件的分布有初步的规划,尽量减少导线的使用同时要保证器件不要过于密集防止管脚相碰出现短路
2、当未得到正确的输出结果时,不要急于重新布线,连接电路,应学会分块调试从第一级的输入、输出开始,用示波器观察相应的波形,找到出问题的部分,再调整电路及元件
3、使用运算放大器时要格外注意正负电压正确接入相应的管脚,接地处要接实,否则容易烧坏元件
4、适当引入电容,可以毛刺,使输出波形更加__
5、通过实验对对数放大电路、__数放大电路及温度补偿电路加深了理解
6、通过本次试验,将理论与实际相结合,提高了__设计、调试电路的能力,对运算放大器、晶体管的特性加深了理解提高了__学习、思考的能力同时锻炼了细心和耐心
7、通过老师的讲解和课下的学习,对PROTELDXP软件的基本操作有了一定的了解和掌握八.PROTEL绘制的原理图及PCB图电路原理图PCB图九.所用元器件及测试仪表清单1.所用元器件集成运算放大器OP07(4个)三极管8050(4个)电阻
1.5MΩ(4个),100KΩ(4个),2KΩ(2个),1KΩ(2个),
4.55KΩ(1个),
15.7KΩ(1个)电容150pf(3个),100pf(1个),300pf(1个),20pf(2个)导线若干2.所用仪表函数__发生器示波器晶体管毫伏表万用表直流稳压电源十.____《电子电路综合设计实验教程》北京邮电大学电路中心2012年2月。