北邮指数运算电路实验报告

[键入公司名称]指数运算电路的设计与实现关键词：指数运算对数运算乘方运算二极管伏安特性温度补偿信息工程学院2摘要：利用二极管的伏安特性实现对数运算及指数运算电路，加以整合实现乘方运算，该模拟集成电路可应用于成法，除法,开方，调制，解调，放大等功能的电路，广泛应用于模拟运算，通信，测控系统，电气测量等电子技术的许多领域，是有较高的研究价值的。关键词：指数运算对数运算乘方运算二极管伏安特性温度补偿一设计任务要求：1.基本要求：设计实现一个指数运算电路，要求电路的输入输出满足指数运算关系uukio,k的大小邮电路中原器件参数决定，本实验要求K=2或K=3，设计指标以及给定条件为：1）电路的输入阻抗Ri≥100KΩ。2）输入信号大小为0～15V3）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）。2.提高要求：（自拟）二设计思路：利用二极管或三极管的PN结指数伏安特性，将二极管或三极管分别接入到集成运放的反馈电路和输入电路，可构成对数和反对数运算电路总体结构框图：1.由对数放大器和反对数放大器及温度补偿电路构成温度补偿电路温度补偿电路对数放大电路反对数放大电路iu01uou基本数学推导:ioukuln'ioukuoBeBeuln'Bueoukiln两边取对数:BuukoilnlnkoiuBu调整相关参数使B=1即kiouu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.2．①基本对数运算电路3如图所示：利用虚地特性三极管Q2工作在UUbc=0的临界放大状态则：eIiUuTEScic=iRuUoRui=eIUuTES，RIuUESiToUln但该电路存在两个问题：①iu必须为正则Uo为负，以使晶体管处于放大导通状态；②IES，TU都是温度的函数，其运算结果受温度影响很大，如何改善对数放大器的温度稳定性是实际应用中要解决的一个重要问题。一般改善方法是：用对管消除IES的影响；用热敏电阻补偿TU的温度影响②加温度补偿的对数放大器4图中:A1,TI组成基本运算电路.A2,T2组成温度补偿电路TI,T2两管的集电极电流分别为:1111RueIiiUuEScTBE111lnEScTbeIiUu2222RVeIiRUuEScTBE222lnEScTbeIiUuT2的基极电位为:221121lnlnEScEScTBEBEBIiIiUuuU忽略T2的基极电流,,434oBuRRRU则1221ln431431ESESccTBoIIiiURRURRu选择TI,T2两管参数对称,21ESESII,则RiTBoVuRRURRURRu12ln431431这样,利用TI,T2两管特性的一致性,可将ESI的影响消除R4选用具有正的温度系数的热敏电阻,可补偿温度对TU的影响,即实现了对数运算仿真模拟如下：5波形仿真与理论吻合度较好RiTBoVuRRURRURRu12ln431431定性分析输出为关于X取对称的对数波形定量分析R2=1.5M，R1=100KVr=15VR3=15.7KR4=1K则ou=-477mv由于TU取值不稳，因为R4并没有用正系数的热敏电阻该仿真软件也无法对温度变化进行相应的模拟因此定量分析的意义不大3．加温度补偿的反对数放大器6由二极管特性可知：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.仿真波形如下：依次为频域分析，时域输出分析，时域输入输出数值对应取值图由频域分析可得在本次实验数据基础上建立的指数电路，在1KHZ的频率范围内，仿真效果从幅度上讲是受频率影响的，在中频范围内对于8050三极管，具体参数见附页，在小于100K范围可认为中低频，此时伏安特性状况较好，但还是受频率影响的，同时由于加的高频滤波电容对输入信号同时产生充放电效应，也是受信号频率影响的故就最终效果而言对波形幅度产生了较为明显的影响因此在实物搭建时须考虑到这一点选择较为合适的频率，1K-3KHZ较为合适eIiuuiieIiUuRRRUuTiTiESEooFEESE7对输出波形的定性分析由于UA-UTRoVuRR129ln带有负号因此关于Y轴产生了对称翻转，由于二者均是在负半周内，故关于X的对称效应抵消因此波形是指数型的定量分析从上图的取点，代入公式UA-UTRoVuRR129lnR9=1.5M，R12=100K，UT=26mv,8UA=-40.338mv,检验得ou近似180mv定量分析的意义不大理论如上但其值为负不知怎么会如此显示注：就整体仿真效果而言由于在PSPICE软件的使用上存在问题，尤其是对各种信号源的设置未找到合适资料，整合电路图仿真未能成功“ERRORPSpiceAD12:01PMEVALUATIONVERSIONanalogNodeLimit(64Nodes)Exceeded!”完整仿真电路如下图多处请教后仍未找到解决方案，是本次实验的失败之处另外op07器件未能找到，使用了ua741代替也产生了队最终效果的影响值得指出的是,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图中：A1，T1，A4，T4组成基本运算电路。A2，T2，A3,T3组成温度补偿电路RiTBoVuRRURRURRu12ln431431134BEBEAUUUTBEUUESReIRVi3393TBEUUESeIRUoi44124)34ln(34iIIiUUESESTA同样，T3、T4选用特性一致的三极管，则：129ln()34ln(RRVUoUiiUURTTA忽略T3基极电流，则：91)211(UoRRRUA)56ln()431(01RTVUiRRURRU)56ln()431(211RTAVUiRRURRRRRU)56ln()431(211)129ln(RTRTVUiRRURRRRRRRVUoU要实现kiUUo，取1129RVRR，VVR15则R12=R15=100K，R6=R9=1.5M。所以，kiUUo其中，K=443211RRRRRR，取R1=R4=1K，R2=4.55K，R3=15.7K。则K=3.009，3iUUo。PROTEL绘制最终电路图：遗憾的是仿真失败，错误如下，始终未能解决10三：功能实现说明及测试基本要求1对应基本实验任务要求Ri≥100KΩ.理论值Ri=R5=100K，在运放虚地特性良好的情况下。由于op07共模抑制比100，而且失调电压仅为0.5uv，故实测与理论符合。经万用表测量电流（数字）0.069毫安，此时输入电压有效值经毫伏表测量为7.07V，故Ri=101.4KΩ，这样除去电流表内阻也可以确信满足要求2.输入信号大小0-15V实测输入信号峰峰值在10V时效果最佳，同时在保持中频段频率下，适当调整f,可使输入信号在其它幅值下依然获得较为理想数据3.PROITEL绘制完整电路原理图（SCH）及印制电路版图（PCB）见报告第五项提高要求提高要求电路设计图：一：乘法电路电路框图对数电路加法电路iuou对数电路Uiu反对数电路未加温度补偿的电路如图（参数无效，实际取值见图下说明）（原理分析略）注：实际搭建连入三个人的电路板，共用3个对数运算电路（带温度补偿电路），两个加法电路，实现3个对数相加，1个指数电路（带温度补偿）具体电路参数设计与基本实验完全一致，只是在新加入的6个电阻，如上图有3个，R3=R4=R7=100K以实现对输入的3立方作用，最终效果如下图11二除法电路（未曾实物搭建）注：测试及调试有关步骤见故障分析的调试准备，同时为了方便输出检测，采用加直流偏压后只有正值的谐波信号进行检测，实际由于函数信号发生器的局限未加直流分量，具体原因见波形分析四故障及问题分析①输出正确波形之前发生的故障分析及解决方案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使用万用表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12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以上准备后：调试过程仍出现以下故障1）无输出信号逐级检测，由于经过了基本准备，确定了无断路，及信号源输入错误等问题在示波器上显示相关测试点波形即有效信号走向所经历的主线各点发现是输入信号幅度的问题，使得后一级三极管无法导通，经过连续调整信号幅度，获得幅度较大且无失真的对数运算波形，（失真时适当改变输入信号频率，可扩大不失真幅值，原因见仿真分析）这样得到了输出信号2）自激震荡输出出现高频成分，且幅值较大通过修改相关位置的电容值，实现滤波功能，过程中在最后一级运放的2，6端口加了一个电容，没有了高频，但后经考虑并不合理，这样最后一级就会同时实现积分与指数的功能，最终会直接导致输出与要求相差甚远，后去除。通过重新合理布线，减小对地电容，导线的分布电容，分布电感，以及输出级电源的独自连线接入，加电路最初所设计的电容值适当修改得到实现较为理想的输出3）输出信号略微滞后（说明见波形分析中的相关问题）②对最终输出波形的分析：注：由于此次实验使用的为主楼522实验室的函数信号发生器，该信号源无法在谐波信号上加直流分量，故输入信号有正负两段，而负输入时，由于三极管未工作在放大状态，更接近于截止状态，基射极电压基本为一稳定值，较小的负值故之后各图负段输入对应的输出是不合本电路设计的理论计算的予以忽略对数波形定性分析该波形，其一由于输入斜波为左高右低，因此将横轴转化为Ui则相当于将x轴反折，即对应了对13数波形的反折，同时RiTBoVuRRURRURRu12ln4314311为负对数又对应了关于Y轴对称，这样两次对称后的波形即与所示一致因此输出波形的最低点既是由谐波信号的最高点产生的，由于为滤除高频而加了一个电容，造成一定的输出延迟，可以看出两点并不刚好对应，同时实验中为了看到输出信号的完整波形将输出波形进行了下移，上端的平直线实际是三极管进入饱和态输出电流稳定，已不满足指数型伏安特性关系，因此输出为IES与相应电阻之积为一定值乘方波形：上图为乘方运算的最终输出确保基准线的一致之后最终波形非常理想，定量分析0点吻合，同时Ui=2时输出约为7.6考虑到电阻值的准确度及R1，R4仅为普通电阻，而非热敏电阻，这样T1T4的UT实现不了相消，因此会带来一定误差X-Y显示14这样的立方曲线0点略有偏移，同时最高点略低，分析如上接近垂直升降的那段对应了输入波形的周期临界点五：总结及结论其一：对于此次实验题目的理解较为深入，个人认为，实验要求的并不是指数运算电路，而是乘方运算电路，实验只是利用指数运算实现了乘方而已。同时由于提高要求自拟，不得不查阅了相关资料，并对指数运算，对数运算，及其衍生电路如乘法，除法，开方电路的原理及实际应用有了较为全面的理解，如在模拟运算，通信，测控系统，电气测量等电子技术的许多领域的应