除法加法运算电路模拟电路课程设计.docx
《除法加法运算电路模拟电路课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《除法加法运算电路模拟电路课程设计.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
除法加法运算电路模拟电路课程设计
除法加法运算电路
一、设计任务与要求
1．设计一个二输入的除法运算电路和加法运算电路。
2．用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。
二、方案设计与论证
该课程设计是做一个二输入的除法加法电路，而因此需要利用对数和指数运算电路实现或者用模拟乘法器在集成运放反馈通路中的应用来实现。
在产生正、负电源的实用电路中，多采用全波整流电路，最常用的是单向桥式整流电路，即将四个二极管首尾相连，引出两根线接变压器，另外两个接后面电路，并将桥式整流电路变压器副边中点接地，并将二个负载电阻相连接，且连接点接地。
电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。
1.方案一
除法电路的输出电压正比于其两个输入电压相除所得的商，所以利用对数电路、差分比例运算电路、指数电路，可得除法加法运算电路的方块图,如图1：
图1.除法加法电路方框图
2.方案二
利用反函数型运算电路的基本原理，将模拟乘法器放在集成运放的反馈通路中，便可构成除法运算电路，再在输入端加一个输入电压使之有两个输入电压，这样就构成了除法加法运算电路。
将两个方案进行比较，方案一：
该方案是利用对数电路、差分比例运算电路和指数电路的组合来设计的，运算放大器uA741要四个，电阻也很多，对焊接有很大的要求，要焊的器件比较多，相对来说比较复杂。
方案二：
该方案是利用模拟乘法器放在集成运放的反馈通路中的应用，uA741只要一个，电阻也很少，焊接起来比较方便。
通过分析，结合设计电路性能指标、器件的性价比，本设计电路选择方案二。
三、单元电路设计与参数计算
1.直流稳压电源电路
如图2所示，
图2.直流稳压电源电路图
该直流源采用单相桥式整流法进行整流，用电容滤波电路进行滤波，采用稳压管稳压电路进行稳压。
用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）
原理：
直流源的制作由四部分组成：
电源变压器，整流电路，滤波电路及稳压电路。
变压器部分通过变压器降压使得进入整流的电压减小；整流道路部分利用二极管的单向导电性实现交流电压到直流电压的转变，即将正弦波电压转换为单一方向的脉冲电压；滤波部分采用大电容，利用电容的充放电作用使输出电压趋于平滑；稳压通过稳压管的稳压作用使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响。
原理分析：
直流电源的输入电压为220v的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值与电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，在对交流电压进行处理。
变压器副边电压有效值决定后面电路的需要。
变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压。
为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路的滤波，使输出电压平滑。
理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出机仅为直流电压。
其流程图如图3所示，
图3.稳压电源的组成框图
（1）整流电路电路图
（2）如图4所示，
图4.单相桥式整流电路
1）.u2>0时，电流由+流出，经D1、RL、D2流入-。
2）.u2<0时，电流由-流出，经D3、RL、D4流入+。
参数设计：
整流输出电压的平均值：
。
在选择整流二极管时，主要考虑两个参数，即最大整流电流和反向击穿电压。
每个二极管的平均电流为
且
。
（2）滤波电路
滤波电路输出电压波形如图5所示，
图5.滤波电路输出电压波形图
当负载开路时：
当RLC＝（3~5）T/2时
考虑电网电压波动，电容的耐压值应大于1.1
脉动系数S约为10%～20%
电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。
参数设计：
滤波电路需采用大电容来实现充放电，故选C1=C2=3300UF,C3与C4用于消除自激振荡，选小电容0.1UF,C5与C6用于消除高频信号带来的噪音，令C5=C6=220UF。
负载选0.5K的电阻。
（3）稳压电路
内阻Ro
稳压系数Sr
实际中用的电路图如图6所示，
图6.稳压电路图
2.功能部分电路
（1）对数运输电路
如图7所示，
或：
图7.对数运输电路
由二极管方程知
当uDUT时，
利用“虚地”原理，可得：
用三极管代替二极管可获得较大的工作范围。
（2）差分比例运算电路
如图8所示，
图8.差分比例运算电路
电路只有二个输入，且参数对称，则
（3）指数运算电路
如图9所示，
图9.指数运算电路
当uI>0时，根据集成运放反相输入端“虚地”及“虚断”的特点，可得：
所以：
可见：
输出电压正比于输入电压的指数。
（4）除法加法运算电路
如图10所示，
图10.除法加法运算电路
因为i1=i2，所以则：
参数计算：
选R1=R2=R4=1kΩR3用10kΩ电位器，则Uo=-（UI1/UI3+UI2/UI3）四、总原理图及元器件清单
1．除法加法运算电路总原理图
如图11所示，
图11.除法加法运算电路总原理图
2．除法加法运算电路仿真电路图
如图12所示，
图12.除法加法运算电路仿真电路图
分析：
根据仿真图知，电路正确，Uo=-（UI1/UI3+UI2/UI3）
3．元件清单
如表1所示，
元件序号
型号
主要参数
数量
备注（单价）
R1、R2、R4
1kΩ
各1个
0.05元
R3电位器
10kΩ
1
0.38元
C1
3300uF
2
0.5元
C2
0.1uF
2
0.1元
C3
220uF
2
0.5元
C4
0.22uF
2
0.1元
二极管
1N4001
8
0.1元
发光二极管
2
0.25元
三端稳压管
W7812
1
1元
W7912
1
1.2元
放大集成块
uA741
1
1元
变压器
副边电压为15V
1
9.8元
模拟乘法器
AD633JN
1
24元
底座
2
0.2元
中电路板
1
0.8元
小电路板
1
0.5元
保险管
1
0.7元
表1.元件清单
五、安装与调试
1.直流电源的安装
（1）各元器件按理论电路图正确焊接，注意布局紧密，不出现虚焊或漏焊；
（2）注意7812和7912管脚的接法；
（3）滤波电解电容一定要分清正负极性，否则会产生爆，一般是正端接高电位，负端接低电位。
2.直流电源的调试
接通电源后，静置一会待电路稳定后没出现任何故障（如芯片被烧等）再进行测量，若出现类似状况应立即断开直流电源，检查问题所在再进行测量。
用示波器观察输出波形。
用万用表分别测量7812，7912的输出电压以及其输入输出电压差。
3.除法加法运算电路的安装
（1）按照原理图正确焊接电路，焊接时各器件布局合理，导线之间无交叉现象，焊点要实，不能虚焊，否则电路处于开路状态，将导致实验不成功；
（2）晶体管安装时各管脚不要接错；
（3）注意集成块uA741的7号和4号脚要接直流电源，其中7号脚接+12v,4号脚接-12v，其他不要接的脚均要焊上而不能悬空；
（4）注意模拟乘法器的管脚接法，输入端接1、3或2、4,5接负电源，8接正电源，7接输出，其余管脚接地。
4.除法加法运算电路的调试
（1）由于该实验使用的是小信号直流电源，故在接线时将两输入端接在直流小信号区域。
注意三个地要接上；
（2）线路接好后，慢慢调节输入信号，用万用表的直流档测试输出电压U0；
（3）若开始不成功，再试几次，不行的话就要检查电路是否有问题；
可以按照以下步骤测试：
1）用万用表检测输入电压UI1、UI2和UI3三处电压是否在理论范围内；
2）用万用表测量直流电源是否有－12v.+12v；
3）若上述两者均正常再测试U0ˊ，看是否有电压，若有再进行下步；
4）测U0处的输出电压为零，说明正常。
最后归结原因是输入电压没调好的问题。
（4）在正确的电路条件下至少测量10次输入和与之对应的输出。
六、性能测试与分析
1．测试步骤
（1）直流电源部分测试：
将自己焊好的直流电源电路板插上220V交流电源，观察发光二极管的发光情况判断直流电源的好坏。
接着测量三端稳压管7812、7912的输出电压及变压器输出电压。
（2）除法加法电路部分测试：
接通电源后，将电路板的各管脚接好，UI1、UI2、UI3分别接两个输入端，UI1和UI3接同一个输入端。
2.测试数据
（1）直流电源部分
三端稳压管7812、7912的输出电压分别为Δu7812=+8.97v，Δu7912=-9.1v；
变压器输出电压Uo1=+11.98v,Uo2=-11.98v。
（2）除法加法电路部分
在该实验中让UI1、UI3相同，逐级改变的UI1、UI2、UI3值分别测出Uoˊ及Uo并做好笔记。
记录如下表2所示，
电压（v）
UI1
UI2
UI3
Uoˊ
Uo
实际值
测量值
实际值
测量值
实际值
测量值
实际值
测量值
实际值
测量值
1
2
2.05
3
3.1
2
2.05
-0.5
-0.51
-2.5
-2.51
2
1
1.02
2
2.05
1
1.1
-0.3
-0.31
-3
-2.96
3
3
3.1
2
1.99
3
3.1
-0.5
-0.51
-1.67
-1.6
4
4
3.94
3
2.94
4
3.94
-0.7
-0.72
-1.75
-1.73
5
5
4.98
1
0.99
5
4.98
-0.6
-0.62
-1.2
-1.21
6
1
1.02
1
1.01
1
1.02
-0.2
-0.203
-2
-2.01
7
2
1.97
3
2.92
2
1.97
-0.5
-0.501
-2.5
-2.55
8
3
2.98
2
1.93
3
2.98
0.5
-0.503
-1.67
-1.65
9
4
4.03
3
3.09
4
4.03
-0.7
-0.702
-1.75
-1.78
10
5
4.99
2
2.05
5
4.99
-0.7
-0.704
-1.4
-1.39
表2.除法加法运算电路实验数据
3．数据处理及误差计算
根据除法加法电路输入电压与输出电压的关系有
Uo=-（UI1/UI3+UI2/UI3）
且相对误差=绝对误差/测量值=|实际值-测量值|/测量值可得：
（1）直流电源部分
三端稳压管7812、7912的输出电压分别为ΔU7812=+8.97v，ΔU7912=-9.1v；
测得变压器输出电压Uo1=+11.98v,Uo2=-11.98v；
实际变压器输出电压Uo1=+12v,Uo2=-12v；
相对误差：
Uo1为0.17%，Uo2为0.17%；
所以误差在允许范围内，实验正确。
（2）除法加法电路部分
除法加法运算电路实验误差如下表3所示，
电压（v）
误差（%）
uI1
uI2
uI3
uoˊ
uo
1
2.4
3.2
2.4
1.96
0.4
2
1.96
2.4
1.96
3.2
4.2
3
3.2
0.5
3.2
1.96
4.3
4
1.5
0.2
1.5
2.8
1.2
5
0.4
1
0.4
3.2
0.83
6
1.96
0.99
1.96
1.5
0.5
7
1.5
2.73
1.5
0.2
1.96
8
0.67
3.63
0.67
0.6
1.21
9
0.74
2.91
0.74
0.3
1.68
10
0.2
2.4
0.2
0.56
0.72
表3.除法加法运算电路实验误差.
所以误差在允许范围内，实验正确。
4.结论分析
实验结果与讨论：
（1）数字运算电路放大的是直流信号而不是交流信号；
（2）+-12v的地和直流信号源的地要和电路中的地相连；
（3）直流信号源Uom<8v。
误差分析：
（1）直流信号源带负载能力差，UI1、UI2、UI3调好后应快速测Uoˊ和Uo，时间一久Uoˊ和Uo就会发生变化产生误差；
（2）电位器R3调的不是很准，产生误差；
（3）元器件不是标准的，产生误差；
（4）电压表的刻度不准确，产生误差；
（5）测量者读电压表读数不准，产生误差。
七、结论
这个除法加法运算电路是由三个1kΩ的电阻、一个10kΩ的电位器、一个uA741和一个模拟乘法器AD633JN构成，利用反函数型运算电路的基本原理，将模拟乘法器放在集成运放的反馈通路中，便可构成除法运算电路，再在输入端加一个输入电压使之有两个输入电压，就构成了除法加法运算电路，这个电路的优点是比较简单,但也有其不足之处，我们可以在此图后加一个反相器使得Uo=（UI1/UI3+UI2/UI3），这样会更好。
通过本次课程设计的学习与操作，学到了很多实验操作的方法与技巧，如检查错误的方法、一些变量的测量方法。
也巩固了所学的理论知识，当然也得出了一些总结与心得。
看到这个题目的时候就想到是先除后加，我立刻去翻书，看完之后就设计出一个前面除法后面加法的电路，然后就拿去给老师看，才发现我把题目意思理解错了，经老师指点我重新画了一幅电路图，以为就可以焊电路板了，这才发现我并不知道模拟乘法器的管脚接法，去XX上搜索只找到管脚图，还是不知如何去接，去问了下学长也不清楚，我就又去问了老师，并了解到不仅要知道模拟乘法器的型号还要知道所用电源电压，经过这么多终于把电路板焊接完成。
焊接完成后我就迫不及待的去实验室调试了，新的问题又出现了，我发现调节电位器R3输出电压Uo根本不会变化，我用手按紧模拟乘法器发现调节电位器输出电压才会变化，我很自然的认为是我的底座坏掉了，正准备去焊过一块电路板这个时候和我一起做课程设计的同学发现我电路板上的问题，原来我接模拟乘法器的那块底座除了输入、输出、接正负电源电压的那几个管脚其余的要接地，我再去实验室调试又发现我测得误差很大，经过一系列的调节我发现原来UI1、UI2、UI3电压取值既不能太大也不能太小否则会使输出波形失真。
最后我测得了正确的数据，整体来说整个实验是个考验过程，检验你的耐心、处理能力以及信心，做事所需要的素质。
八、参考文献
1．《模拟电子基础》第四版，清华大学电子学教研组、童诗白、华成英，高等教育出版社，2006-05出版；
2．《电子技术课程设计指导》彭介华编，高等教育出版社，1997年；
3．《电子系统设计》何小艇等编，浙江大学出版社，2000年；
4．《集成电子技术基础教程》郑家龙、王小海、章安元编，高教出版社，2002年；
5．《新编555集成电路应用800例》陈永甫编著，电子工业出版社，2000年；
6．《实用电子电路手册（模拟电路分册）》编写组编，高教出版社，1991年；
7．《国产集成电路应用500例》周仲编，电子工业出版社，1992年；
8．《新编555集成电路应用800例》陈永甫编著，电子工业出版社，2000年；
9．《电子线路设计·实验·测试》第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社，2006年；
10．《电子技术基础（数字部分）》第五版，北京康华光，高等教育出版社，2006.414-424；
11.《振荡电路的设计与应用》稻叶保，北京科学出版社，2004.29-99；
12.《电子技术实验与课程设计》王立欣，杨春玲，哈尔滨工业大学出版社，2003.98-99；
13.《模拟电路及其应用》何宝祥，朱正伟，刘训飞，储开斌，清华大学出版社，2008.104-195；
14．《现代电子学及应用》童诗白、徐振英编，高等教育出版社，1994年。
升级会员 