1、第 1 页 共 19 页指数运算电路的设计与实现实验报告姓名： 班级：学号：班内序号：指数运算电路的设计与实现第 2 页 共 19 页目录摘要关键字.3实验目的3实验仪器与器件.3实验任务要求4设计思路和总体结构框图4分块电路原理 5总体结构框图与电路原理总结.6实现功能说明以及主要测试数据7故障及问题分析.10PROTEL 绘制的原理图. 15.面包板与 PCB 板.16所有元器件及测试仪表清单.17总结和心得体会18参考文献.18指数运算电路的设计与实现第 3 页 共 19 页课题名称：指数运算电路的设计与实现摘要：本实验是进行指数运算电路功能的实现，而指数运算电路由对数放大电路、反对数放
2、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、调试一、 实验目的1. 了解对数放大器和反对数放大器的应用。2. 掌握如何补偿温度对一些参数的影响的方法。3. 进一步熟练掌握运算放大器的工作原理和基本特性以及二极管的指数特性。4. 提高独立设计电路和验证实验的能力。二、实验所
3、用仪器和器件1. 函数信号发生器2. 示波器3. 晶体管毫伏表4. 万用表5. 直流稳压电 OP07 4 个、三极管 8050 4 个、电阻电容若干、导线、面包板等6. OP07 的功能：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 25V） ，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。
4、特点：超低偏移： 150V 最大 。低输入偏置电流： 1.8nA 。低失调电压漂移： 0.5V/ 。超稳定，时间： 2V/month 最大高电源电压范围： 3V 至22V指数运算电路的设计与实现第 4 页 共 19 页图 7 OP07 外型图片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 为正向输入端，4 接地，5 空脚 6 为输出，7 接电源+三、实验原理一、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，本实验中可选择 K=2 或者 K=3。2设计指标及给定条件为：（1
5、 ）电路的输入阻抗 100K。（2 ）输入信号大小为 12V。3.验收内容。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 ） 。指数运算电路的设计与实现第 5 页 共 19 页二、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。实验原理框图：基本数学推导： u01=
6、 klnu0 = Beu01=Beklnuieklnui=u0/B两边取对数： klnui=ln uo/B uo/B=uik调整相关参数使 B=1，即 uo=uik。五、分块电路原理分别包括对应器件在电路中产生的作用，电路原理图和实物连接图。三、分块电路和总体电路的设计1.基本对数运算电路指数运算电路的设计与实现第 6 页 共 19 页图 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
7、，且 ui 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 温度补偿电路指数运算电路的设计与实现第 7 页 共 19 页图 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
8、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：指数运算电路的设计与实现第 8 页 共 19 页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
9、详细推导。可知：，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：指数运算电路的设计与实现第 9 页 共 19 页同样，T3、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=3.0093 ，u0=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：指数运算电路的设计与实现第 10 页 共 19 页图 6 完整电路图4、 电路调试结果及分析1.实验图片以及波形图：
10、指数运算电路的设计与实现第 11 页 共 19 页输入和输出的李萨茹图指数运算电路的设计与实现第 12 页 共 19 页输入和输出的波形关系图第一级电路 A 点 (见原理图 A 点)的输出和输入信号的关系图指数运算电路的设计与实现第 13 页 共 19 页第一级电路 B 点(见原理图 B 点)的输出和输入信号的关系图第二级电路 C 点(见原理图 C 点) 的输出和输入信号的关系图经过几组计算，得出输出和输入的关系为指数运算电路的设计与实现第 14 页 共 19 页1.计算过程如下（设 ）：实验组数 （ V） （ V） K=1 3.2 10.24 3.14 0.312 2.68 7.18 2.3
11、4 0.323 1.80 3.24 1.00 0.314 1.20 1.44 0.44 0.315 0.76 0.578 0.20 0.35表格中 均为当 时输入信号和输出信号的峰峰值，由图知此时输出曲线和输入曲线的下方相切于 U=0V 处，因此这种方法计算的数据是有效的。由表格中的数据可知，第 5 组数据由于数据较小，误差较大，故在计算结果时舍去，最后综合一下，取 k=0.31。2.分析出现 k 的原因：由实验原理中的关系式=可见影响 k 值的原因是 ，当严格满足， 时则有 k=1，但在实际电路中不可能做到电阻阻值完全满足设计值，因而出现了一个恒定系数 k，且 k= 。2.故障及问题分析：1
12、、电路连接后在示波器中显示不了波形原因分析：电路连接错误，如三极管 T1、T2 集电极未和相应运算放大器 2 管脚连接；面包板加正负极的时候出现错误。解决办法：重新将有错误的地方连接好，并且适当的进行电路的调整，调整三极管时可能要重新布线，并且把电源的正负极次重新连接。2、波形出现大量毛刺，并且很不稳定原因分析：可能是电容跨接过运算放大器，造成比较大的干扰，还有可能是因为缺少电容，导致有很多噪声没有滤除掉。解决办法：在电路可能出现噪声的位置上试着加一个数值合适的电容，观察波形的变化情况，如果波形毛刺减少的话，就把电容值调大或者调小；至于跨接电容的问题，我们适当的将电容的管脚远离运算放大器。3、
13、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。指数运算电路的设计与实现第 15 页 共 19 页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，波形出现分支，该现象由高频成分引起。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。6、在调节波形时，波形的输入幅度与
14、电压的偏置电压 offset 不搭配，使得波形出现削顶失真或是削底失真，出现在输入幅度较大时。五、面包板、电路原理图（SCH ）及印制电路板图（PCB）面包板连电路指数运算电路的设计与实现第 16 页 共 19 页电路原理图（SCH）指数运算电路的设计与实现第 17 页 共 19 页PCB 电路板图（PCB ）指数运算电路的设计与实现第 18 页 共 19 页印制电路板 3D 视图二、 实验总结为期 4 周的电子电路综合设计实验让我获益匪浅，自己的动手能力得到了极大的提高，同时对模拟电子电路课程有了更加形象的认识与理解。一培养独立意识，动手能力本次电子电路综合设计实验从选题到最终验收都是完全自
15、主完成，自己弄懂实验原理，查芯片功能，分析电路各部分的功能与实现方法，一步一步的去完成自己的“作品” 。刚开始查资料时，完全一头雾水，但慢慢的靠自己的力量去学习去探索，最后终于顺利的完成了我的作品，我受益很多。二培养耐心，细心，毅力。搭电路板要耐心，首先要对整体进行大致划分，注意美观，再一块一块的去搭，这样纠错就可以分块儿纠错，减少工作量。电路板很主要，电路板搭不好就不能实现相应的功能。我的电路板还算顺利，导线基本都在面包板表面，但是由于导线和元器件比较多，整个板子看上去很满，每次测试要注意元器件的金属部分有木有接触，注意分开。板子我反反复复对了三遍，最后才完全出了波形，我很开心，自己的付出是
16、值得的。三调试要耐心，分级调试波形输出错误时不要紧张，调试时首先要认真检查自己的面包板，确认无误后，从电路开端开始分级检查，用示波器检查每一部分的输出波形是否符合要求，进行分级纠错。如果电路检查无误仍无法出现预定波形，就要考虑是否为芯片问题，更换芯片再次进行检查。四检查波形，测量数据指数运算电路的设计与实现第 19 页 共 19 页按照实验要求测量数据，要及时记录数据，数据能够反映这个实验隐含的“秘密” ，帮助我更好的完成实验。五要镇定，不慌张我刚搭的电路输出波形严重失真，我查了一些资料，然后慢慢调试，换了很多元器件，最后它一点点的越来越好，做实验不能慌张，有问题要悉心钻研，总会解决的。六学到
17、很多东西了解了很多元器件的特征和功能，搭复杂的电路板，制作 PCB，学会新软件的应用，学会写一份严密专业的报告。七不足与遗憾由于时间有限，我没能完成拓展功能，而且也有很多的不足和遗憾，我会吸取这些教训，争取以后的实验过程中不做无用功。以后有机会我会去进行深入的研究与探索去完成拓展功能和其他，钻研是一种享受，我越来越喜欢这种感觉。此次实验从设计到实现，每一步都伴随着问题的不断的产生与解决，经过艰辛的调试、测量，最终完成实验，除了极个别的参数与设计要求稍有差距之外，其余参数均满足设计指标。实验总体是成功的。十三、参考文献【1 】 刘宝玲.电子电路基础 ,1 版.北京：高等教育出版社， 2006.【2 】 北京邮电大学电子综合设计实验教程.北京邮电大学电路中心 .【3 】 王成华，王友仁.电子技术基础教程 .北京: 科学出版社， 2003.【4 】 穆秀春，冯新宇.Altium Designer 原理图与 PCB 设计 .电子工业出版社，2011.
