指数运算电路实验报告

电子电路综合实验设计电子电路综合实验设计 指数运算电路的设计与实现指数运算电路的设计与实现 学院 班级 姓名 学号 日期 指数运算电路实验报告指数运算电路实验报告 摘要 摘要 在通讯技术中 对数和反对数运算电路广泛运用于动态范围 跨越几个数量级的发送和接收 对数放大器和反对数放大器具有非 常广泛的运用 除了能构成指数运算电路外 通过配以加减运算电 路还可以实现模拟信号的乘 除 乘方 开方等运算 指数运算电 路由对数放大器和反对数放大器及温度补偿电路组成 引入运算放 大器 利用运算放大器反向端的虚地特性 则可把 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反 对数放大器 U I 都是温度的函数 其运算精度受温度影响大 故 需加温度补偿电路 关键词 关键词 指数运算电路 对数放大电路 反对数放大电路 温 度补偿电路 一 一 设计任务要求设计任务要求 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 k 的大小由电路中元器件参数决定 本实验要求 k 2 k oi uu 或 k 3 2 设计指标 1 电路的输入阻抗 Ri 100k 2 输入信号大小为 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及印制电路板图 二 设计思路二 设计思路 利用二极管的 PN 结的指数型伏安特性 可实现对数运算 将电 阻 R 与晶体管位置互换 就构成了基本的反对数运算电路 为了消 除温度对运算精度的影响 需加温度补偿电路 三 三 总体结构框图总体结构框图 图 1 总体结构框图 图中各参数关系 ln ln ln lnln oi i oi uku o ku o o i k o i k oi uku uBeBe u e B u ku B u u B uu 对数放大器和反对数放大器具有非常广泛的应用 除了能构成 指数运算电路外 通过配以加减运算电路还可实现模拟信号的乘 除 乘方 开方等运算 四 分块电路及总体电路设计四 分块电路及总体电路设计 1 对数运算电路 1 基本电路 图 2 对数放大器原理图 ln i oT ES u uU RI 注 此处为发射结反向饱和电流 ES I 利用二极管的 PN 结指数伏安特性 可实现对数运算 其解析式表示法 1 T u U s iIe 其中 反向饱和电流与外加电压无关 硅管远小于锗管 s I s I s I 热电压室温下 T U T kT U q 26 T UmV 当 PN 结上的电压大于 100mV 时 1 T u U e 伏安特性可简化为 T u U s iI e 为相对扩大输入电压的动态范围 实用电路中常用晶体管取代 二极管 同时 为增加晶体管集电极电流动态运用范围 常把晶体 管的基极与集电极短路 接成二极管形式 利用运算放大器反相端的虚地特性 可以将 PN 结上的电压电 流关系转化为电路的输入输出电压关系 输出电压幅度不能超过 0 7V 且 0 保证晶体管处于导通 iu 状态 其中 和都是温度的函数 其运算精度受温度影响大 T U ES I 故需加温度补偿电路 2 加温度补偿的对数运算电路 图 3 温度补偿电路原理图 图中 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是 iu ou 1 1 11 R u U u eIi i T BE ESc 1 1 1ln ES c Tbe I i Uu 2 2 22 R V U u eIi R T BE ESc 2 2 2ln ES c Tbe I i Uu T2 的基极电位为 2 2 1 1 21 lnln ES c ES c TBEBEB I i I i UuuU 忽略 T2 的基极电流 则 43 4 oB u RR R U 1 2 2 1 ln 4 3 1 4 3 1 ES ES c c TBo I I i i U R R U R R u 选择 TI T2 两管参数对称 则21ESES II R i TBo V u R R U R R U R R u 1 2 ln 4 3 1 4 3 1 这样 利用 TI T2 两管特性的一致性 可将的影响消除 ES I 3 加温度补偿的反对数放大器 4 将电阻 R 与晶体管位置互换 就构成了基本的反对数 运算电路 如下图所示 由二极管的特性可知 即实现了反对数运算同运算电路一样 为了消除温度对运算精 度的影响 也要进行温度补偿 由于对数放大器和反对数放大器的二极管 必须工作在正向偏 压下 因此输入信号只能是单极性的 5 完整的电路图 图 5 总体电路设计 A1 T1 A4 T4 组成基本运算电路 A2 T2 A3 T3 组成温度补偿电路 R i TBo V u R R U R R U R R u 1 2 ln 4 3 1 4 3 1 1 34BEBEA UUU T BE U U ES R eI R V i 3 3 9 3 T BE U U ES eI R Uo i 4 4 12 4 3 4 ln 3 4 i I I i UU ES ES TA 同样 T3 T4 选用特性一致的三极管 则 12 9 ln 3 4 ln R R V Uo U i i UU R TTA 忽略 T3 基极电流 则 1 21 1 Uo RR R UA 5 6 ln 4 3 1 01 R T V Ui R R U R R U 5 6 ln 4 3 1 21 1 R TA V Ui R R U R R RR R U 5 6 ln 4 3 1 21 1 12 9 ln R T R T V Ui R R U R R RR R R R V Uo U 要实现 取 k i UUo 1 12 9 R VR R VVR15 则 R12 R15 100K R6 R9 1 5M 所以 k i UUo 五 电路实现功能五 电路实现功能 1 该电路可实现对输入信号的指数运算 根据电路关系可得 k 的计算式为 341 124 RRR k RRR 将 R1 R4 1K R2 4 55K R3 15 7K 将代入上式 求得 k 的理论值为 K 3 009 电路实际调试得3k 具体测试数据如下 V i u 0 50 81 01 21 4 V o u 0 0250 51 01 72 6 V 3 i u 0 0250 5121 0001 7282 744 注 以上数据由模拟示波器显示屏直接读出 存在一定误差 经计 算 与理论值误差在允许范围内 图 6 电压输入输出关系曲线 2 输入阻抗 用万用表欧姆档测得电路输入阻抗为 110 符合 Ri 100k 的设计要求 k 3 测试及调试过程 在输入端接入的是函数信号发生器 用以输入三角波 运算放大器 加入的是正负 15V 的直流电压 输入和输出端用示波器进行检测 输入信号源的三角波含直流成分 0 15V 输出结果的正确与否是 通过用示波器对输入输出波形的李萨如图进行观测和分析来进行测 试的 对对数电路和反对数电路要分级测试 6 6 故障及问题分析故障及问题分析 电路故障问题分析解决办法 示波器无输出显示电路连接存在问题检查电路 输出信号杂乱输入信号不标准调节输入信号极性 输出信号过粗存在其他频率分量输出端并联一个小电容 X Y 输出失真输入信号频率过高调低输入信号频率 指数波形失真三极管故障更换三极管 基本常见故障的避免 有效地调试准备 1 检查电路连线是否正确 包括错线 少线和多线 按照电路 图检查安装的线路 2 准备测试设备 要准备好测量仪器和测试设备 检查是否处于良好的工作状态 检查测量仪器和测试设备的功能选择开关 量程挡位是否处于正确 的位置 尤其要注意测量仪器和测试设备的精度是否符合技术文件 规定的要求 能否满足测试精度的需要 3 检查导线及电阻等相关器件的正常特性 4 电源供电 包括极性 信号源连线是否正确检查直流极性 是否正确 信号线是否连接正确 并且用电压表测试保证直流电源 输出符合要求 5 检查元 器件引脚之间有无短路 连接处有无接触不良 二 极管 三极管 集成电路和电解电容极性等是否连接有误 主要通 过合理布线 避免面包板上相邻元器件的管脚短接 经过上述的检测 仍然出现了如下的问题 1 连接好电路并加上直流电源和交流电源之后输出端没有波形 的输出 1 直流电源的负电压接反了 应该红夹子接地 黑夹子接负电源 端 导致运放没有进入工作状态 属于断路状态 2 运算放大器被烧毁 这通过通过仪器检测和元件更换得到解决 在以上问题都排查检验确实无误后 又出现下列情况 1 对数放大电路的波形基本符合理想情况 且按照教材所列出的 电容加上后 第一级输出没有干扰 滤波很好 这是在没有考虑倍 数的前提条件下 而在第二级的测试中 输出波形虽然大体满足指 数函数的形状 但干扰很大 这时通过不断的尝试在第四个运放的 1 2 脚加了 151pf 的电容后 课本上没有 波形稳定且无干扰 2 最初据输入输出的里萨如图显示知放大倍数差得很远 2V 的 输入信号经指数放大电路后输出电压只在 1V 附近 这时检查电路后 发现四个三极管 8050 的型号不同 更换后波形稍有改善 3 电源电压 15V 跟电路的准确值也很有关系 可以对其稍加调整 七 结论和总结七 结论和总结 这次实验跟上学期相比有了很大的不同 这次实验更加注重设计思 路与解决问题的能力 在本次实验中遇到了许多挫折 例如电阻阻 值不明确 这可用数字万用表测量得到 队运放管脚功能不明确 后来通过查阅参考文献理清了各个管脚的功能 指数实验零件细碎 且多 在搭电路时保持注意力高度集中 既要做到准确又要注意面 包板得美观简洁 特别是要连接输入输出等的线最好用不同的颜色 这样比较不容易出错 指数实验对电阻阻值精度要求非常高 在连 接电路时应注意不要混淆 调试时 示波器显示输出为一条直线 仔细检查了好多遍电路 又反复调试 原来是有一个运放管脚未完 全插进去 经过改正后波形就正确了 在最后测试电路的时候 还要注意选择输入波形及合适的频率和幅度 要有耐心 细调 直流分量 使输出指数图像尽可能满足实验要求 减小实验误 差 当看到波形出来的那一刻 心里有说不出的喜悦 这几周的努 力总算有了回报 经过这一个多月 我对对数反对数运算电路有了 更深刻的了解 对设计性实验也有了一定了解 对实验仿真所用的 PROTEL DXP Pspice 软件有了初步认识 同时提高了自己动手能力 和解决问题的能力 明白了无论做什么事都不可能一帆风顺 要知 难而进 培养自己越挫越勇的能力 对自己要严格要求 精益求精 八 八 PROTEL 绘制的原理图绘制的原理图 图 7 用 Protel 绘制的电路原理图 图 8 PCB 板图 图 9 DXP 绘制的三维电路原理图 图 10 实际电路图 绿线 接地 红线 15V 棕线 15V 浅绿线 输入 蓝线 输出 九 所用元器件及测试仪表清单九 所用元器件及测试仪表清单 1 元器件清单 名称型号 规格数量 1 5M 4 100k 4 16k 1 4 7k 1 2k 2 电阻 1k 2 330pF1 150pF2 电容 20pF3 运算放大器 OP074 晶体管 80504 导线 若干 面包板 1 2 测试仪表清单 仪器名称型号数量主要用途 函数信号发生器 GFG 8219A1 产生特定类型的函数信号 直流稳压电源 HT 1712F1 提供稳定直流电压 双踪示波器 SS 78041 监视输入输出波形 晶体管毫伏表 59C21 测量电压 万用表 MF5001 测电路输入阻抗 十 参考文献十 参考文献 1 电子电路综合设计实验教程 北京邮电大学电路中心 2 电子测量与电子电路实验教程 北京邮电大学电路中心 3 电子电路基础 刘宝玲 4 PROTEL 基础教程 张伟 附录 附录 运算放大器 OP07 资料 摘自互联网 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 25 V 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信号等 方面 特点 超低偏移 150 V 最大 低输入偏置电流 1 8nA 低失调电压漂移 0 5 V 超稳定 时间 2 V month 最大 高电源电压范围 3V 至 22V 图1 OP07外型图片 图2 OP07 管脚图 OP07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