模  电  综  合  实  验  报  告

               

指数运算电路的设计与实现

摘要：指数放大电路由对数放大电路和反对数放大电路及温度补偿电路构成。实验基于二极管PN节的指数伏安特性实现对数反对数运算，用三极管替代PN节以增加集电极电流动态运用范围。同时引入运放放大器，把PN节上的电压电流关系转化为电路的输入输出电压关系。由于晶体管的相关参数 ，是温度函数，其运算精度受温度影响较大，故加上温度补偿电路

关键词：对数放大电路、反对数放大电路、温度补偿电路，调试

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,本实验中设计的k=3.

2.  此外要满足：【1】电路的输入阻抗≥100KΩ。

【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（SCH）及印制电路板图（PCB）。

二．设计思路及总体结构框图

【1】.设计思路：利用二极管的PN结的指数型伏安特性，实现对数运算。通过电阻与晶体管位置的互换实现反对数运算电路。加入温度补偿电路，消除温度对三极管参数的影响。利用运算放大器反向端的虚地特性，通过确定电路图中R5的值，使之满足100k                                         

【2】.原理框图如下：

（1）由对数放大器和反对数放大器及温度补偿电路

基本数学推导:           

 

                    

 两边取对数:  

                     

 调整相关参数使B=1     即，本实验设置K=3

三．分块电路和总体电路的设计

（1）基本对数运算电路

如图所示：利用虚地特性三极管Q2工作在=0的临界放大状态

 则：     =   

      =       

但该电路存在两个问题：①必须为正则为负，以使晶体管处于放大导通状态；②，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：用对管消除的影响；用热敏电阻补偿的温度影响。

（2）加温度补偿的对数放大器

  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:

           

          

T2的基极电位为:

忽略T2的基极电流,  则

选择TI, T2两管参数对称,,则

这样,利用TI, T2两管特性的一致性,可将的影响消除。

（3）加温度补偿的反对数放大器

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。

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。

完整的电路图如下：

    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。

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，

则R12=R15=100K，R6=R9=1.5M。所以，。

其中，K=，取R1=R4=1K，R2=4.55K，R3=15.7K。则K=3.009，。

4. PROTEL绘制最终电路图：

四．所实现功能说明及测试

实现的功能：

     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 。输入阻抗的要求肯定满足的。

     2.输入信号大小为0-2V的三角波 。 输入信号为1V时，输出信号为1V.

输入信号为2V时，输出信号为8V。最后的输入输出的李萨如图为标准的指数上升曲线。达到实验基本要求。

     3.主要测试数据：

①U_i=1V         U_o=1V；

②U_i=1.1V      U_o=1.3V；

③U_i=1.2V       U_o=1.7V；

④U_i=1.5V      U_o=3.4V；

⑤U_i=2V       U_o=8V。

4.测试及调试过程：

必要的测试方法:

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（0-2V），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。

五．故障及问题分析

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】虽有改善，但倍数还差的很远，考虑到倍数的K跟R1,R2,R3,R4.的比值有关，而且电阻的组织存在误差，面包板的情况也不一样。通过给R1串电阻，R2并电阻，输出的幅值有很大改善，基本达到实验要求。

【4】但1V的输入的对应不到1V的输出，也就是b的值不等于1.这主要是和R9,R12,R5,R6 有关。通过并上大电阻给阻值稍作修正。

【5】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；

   最后，经过多次调整，出来的波形无论数值还是波形上都达到了实验要求，效果很好。

六、总结和结论

    1.这次实验主要是提高我们对综合实验的认知和学会灵活的运用上学期做实验所学会的技能；

2.提高了独立学习能力，实验仿真所用的PROTEL DXP，Pspice，均是通过查阅相关书籍，才学会了相关操作，但感觉这两个软件在元件的查找上都有一定的困难，同时仿真过程出现问题极多，至今仍未获得完整电路的仿真图，仿真错误在相关位置均有提及；

3.更为深刻的理解到模电实验所需要的严谨性，譬如布线的规范性如达不到也会产生影响，尤其在此次实验，由于考虑到电容充放电效应带来的影响，电容取值较小以消除高频，但这样，线间的电容电感效应就足以对实验产生影响；

4. 通过实验对对数放大器和反对数放大器的有了比较深刻的理解，同时也更好理解了温度补偿对运算精度的影响。

总的来说，这次综合实验确实相对以前需要更多的知识，更强的能力，因此也使在实验的过程中学到了更多，提高了自己动手设计实验及单独完成实验的能力，也学会了思考，将所学的知识用到电路实际应用中。

六、PROTEL绘制的原理图及PCB制板图

七、所用仪器及器件清单

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: 200pF(2个)，151pF(2个)，20pF(2个)

导线若干

2.仪器列表：

  直流稳压电源  示波器  函数信号发生器  万用表（测量电阻及输出电压） 毫伏表 交流电流表

器件列表

八、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           20##年3月

 

第二篇：基本运算电路设计实验报告

实验报告

课程名称：电路与模拟电子技术实验 指导老师： 成绩： __________________ 实验名称： 基本运算电路设计 实验类型：______ _同组学生姓名：__________

一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）

三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤

五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填）

七、讨论、心得

一、实验目的和要求

1. 掌握集成运放组成的比例、加法和积分等基本运算电路的设计。

2. 掌握基本运算电路的调试方法。

3. 学习集成运算放大器的实际应用。

二、实验内容和原理（仿真和实验结果放在一起）

1、反相加法运算电路：

I1?I2=If

uuI1uI2???o

R1R2Rf

uo??(Rf

R1uI1?RfR2uI2)当R1=R2时，uo??Rf

R1(uI1?uI2)，输出电压与Ui1，Ui2之Rf

和成正比，其比例系数为

2、减法器（差分放大电路）

R1，电阻R’=R1//R2//Rf。

uI1?u?u??uo? 由于虚短特性有：R1Rf

u??u??uI2?R3R2?R3

因此解得：

R3?Rfuo??1?R2?R3?R1Rf?uI1?uI2?R?1

RfR2?R3,Rf?R3时，有uo?(uI2?uI1)R1

可见，当Rf?R1时，输出电压等于出入电压值差。

3、由积分电路将方波转化为三角波：

电路中电阻R2的接入是为了抑制由IIO、VIO所造成的积分漂移，从而稳定运放的输出零点。在t<<τ2（τ2=R2C）的条件下，若vS为常数，则vO与t 将近似成线性关系。因此，当vS为方波信号并满足Tp<<τ2时（Tp为方波半个周期时间），则vO将转变为三角波，且方波的周期越小，三角波的线性越好，但三角波的幅度将随之减小。

4 、同相比例计算电压运算特性：

电压传输特性是表征输入与输出之间的关系曲线，即vO= f(vS) 。同相比例运算电路是由集成运放组成的同相放大电路，其输出与输入成比例关系，

但输出信号的大小受集成运放的最

大输出电压幅度的限制，因此输出与输入只在一定范围内是保持线性关系的。

三、主要仪器设备：信号源、示波器、实验箱、电源。

四、实验步骤与结果记录：

1、 反相加法运算电路：

1) 按设计的运算电路进行连接。

2) 静态测试：将输入接地，测试直流输出电压。保证零输入时电路为零输出。

3) 调出0.2V峰值三角波和0.5V峰值方波，送示波器验证。

4) vS1输入0.2V峰值三角波，vS2输入0.5V峰值方波，用示波器双踪观察输入和输出波形，确认电路功能正确。记录示波器波形（坐标对齐，注明幅值）。

仿真电路图：

仿真结果：

实验所得示波器波形：

观察仿真图像，电压都为负值，最低点为-7V，在输入电压峰值为0.2V和0.5V时，反相放大了10倍，符合理论推导结果。

2、 差分电路（减法器）：

仿真结果：

设输入电压为1.5V和0.2V，输出电压为13V，放大倍数为10倍，实现了减法功能。

3、 积分电路将方波转化为三角波：

仿真：

T=10τ时，

T=τ时，

T=0.1t时，

实验结果： T=τ时，

T=0.1t时，

4、 相比例运算电压传输特性（电压跟随器）

思考题：

（1） 什么是集成运算放大器的电压传输特性？输入方式的改变将如何影响电压传输特

性？

不同频率的输入信号经过放大器得到一定的输出,两者之间的关系式曲线就反映了该放大器的电压传输特性。电压传输特性受电路影响。

（2）集成运算放大器的输入输出成线性关系，输出电压将会无限增大，这话对吗？为什么？

不对。输出时会存在饱和电压。

（2） 实验中信号的频率不一样是否对实验的结果有影响？

有影响。信号频率不同不能生成稳定波形。

（3） 基本运算电路，没有输出信号，输出端电压接近饱和，为什么？怎样处理？

频率不在正常工作范围内。减小信号频率。

（4） 在积分运算电路中，当选择Vs＝0.2V时，若用示波器观察υo（t）的变化轨迹，并

假定扫速开关置于“1s/div”，Y轴灵敏度开关置于“2V/div”，光点一开始位于屏幕左上角，当开关S2由闭合转为打开后，电容即被充电。试分析并画出Vo随时间变化的轨迹。若采用电解电容时，电解电容的正负极该如何接？

（5）为防止出现自激振荡和饱和失真，应用什么仪器监视输出电压波形。

用示波器监视输出电压波形。

（6）在基本运算电路中，当输入信号为正弦波、方波或直流信号等不同形式时，应分别选择什么仪器来测量其幅度？

正弦波：示波器看波形，毫伏表测幅度； 方波：示波器看波形，直接用示波器测幅度； 直流信号：万用表。

（7）实验中，若测得运放静态输出电压为+14V（或不为0），其根本原因是什么？应如何进一步调试？

可能是没有构成负反馈，输入电阻与反馈电阻断开。此时应检查线路是否接错，元件是否出现问题， 然后再测量静态输出，为零后再加入信号。