整理指数运算电路试验报告

1、精品文档精品文档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：通信工程院系：信息与通信工程学院 专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、反对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 和反对数放大器。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、反对数放大器、温度补偿电路、指数特性设计任务要求1. 基本要求：设计

2、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U0二Uik, k的大小由电路中元器件参数决定，本实验中K=3。2. 设计指标及给定条件为:(1)电路的输入阻抗Ri >100K Q。(2)输入信号大小为015V。(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反对

3、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：U0i= kinu iu01kinu iuo = Be =Beklnu ie=uo/ B两边取对数:kinu i=ln Uo/BUo/B=Uik调整相关参数使B=1,即uo二Ui"（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

4、出电压幅度不能超过0.7V，且u i >0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:J 險L対严如眉Z骷囲旳站孟1/肿 2 用 1 fl T2的基极电位为:切£1也忽略T2的基极电流,则S3+BA ” ,%対（1+菩网対-（1+菩）W也护） 选择

5、T1, T2两管参数对称，IeS1=IeS2，则%対（1+翌）制- （1+乌耳In（翌X生）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F4,可补偿温度对Ut的影响。3. 反对数放大器将电阻R与晶体管的位置互换就构成了基本的反对数运算电路。如下图所示:图4反对数运算电路由二极管的特性可知:% -嗨g =Jr = - "F R% - iRig -应肘*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，对数放大器和反对数放大电路的二极管， 必需工作 在正向偏压下，因此输

6、入信号只能是单极性的。4. 指数运算电路如下图所示:图5指数运算电路A1、A2、T1、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:C R3e、fR6 幻、 讣7+尹忖可）A3、A4、T3、T4构成具有温度补偿的反对数运算电路，其运算关系如下:E二如4 +肚讷'砧4h同样，T3、T4选用特性一致的三极管，则:忽略T3基极电流，则屿仟（1+刀恥（常刃匕二-刃（1+F诚彳噜）"農（1+鈴"加挣#R9 ,尺6,上 1 1要实现“产坷，取刃2x4，R亍灯直，Vr=15V，则_ *R12=R15=100K R6=R9=1.5M 所以叫=吗”。其中 R1+

7、庄 R4 ，取 R仁R4=1KR2=4.55KR3=15.7K 则 k=3.0093, Uo二Ui3。5. 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25 aV，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

8、增益的测量设备和放大传感器的微弱信号 等方面。精品文档特点：超低偏移：150叮最大 。低输入偏置电流：1.8 nA。低失调电压漂移：0.5 a VC。超稳定，时间：2 a V/month最大咼电源电压范围：士 3V至 ± 22VNQUIPS（Plastic Pae 畑g 亡）图7 OP 07外型图片Offset Null 16Offset NdN 2Inverting Input7Non-inverthg Input6Output5N.C.ccOP 07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,精品文档5空脚6为输出，7接电源+精品文档五.

9、 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=Ui3。精品文档2、电路的输入阻抗 R >100KQ。主要测试数据:1、输入信号大小为02V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:Ui0V1V1.5V2VUo （正弦波）0V1V3.4V7.8VUo （三角波）0V1V3.3V7.8V2、用如下图所示方法测量电路输入阻抗:放人电路2 I *rX图旗大电賂输入电R1的测蠱则 R二V/li二Vi/(Vs-Vi)/R二VR/Vs-Vi测试数据为:R=110 KDVs=826

10、mVVi=489mV计算得R=159.6 KQ必要的测试方法1、将输入端接入函数信号发生器，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然后再值。对对数运算电路和反对数运算电路要分别实行分级测试, 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:4丄一放大电路 -O- * - T+代r =-尸J斗rX图啟大电路输入电阻肮的测鬣则 R二V/li二Vi/（V歹Vi）/R二VR/V歹V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

11、极管 T1、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

12、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，通过降低输入信号的频 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

13、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，使输出波形更加完美。5、通过实验对对数放大电路、反对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，提高了独立设计、调试电路的能力，对运算放大器、晶体管的特性加深了理解。提高了独立 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 P ROTELDX P软件的基本操作有了一定的了解和掌握。八.PROTE绘制的原理图及PCB图电路原理图:P CB 图:节；UT-LE.! 00 "O笳暑一一.1丄丄£口43-4fCrLEtENDOK I O suan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OP