模拟电路设计除法运算电路.docx
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模拟电路设计除法运算电路
模拟电路课程设计报告
设计课题：
除法运算电路
专业班级：
学生姓名：
学 号：
指导教师：
设计时间：
除法运算电路
一、设计任务与要求
①设计一个二输入的除法运算电路。
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
（一）此次课程设计要求实现二输入的除法运算电路，总体思路有两种。
两种方案的总体分析如下：
方案一：
要实现二输入除法运算，可以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实现。
1.该方案采用模拟乘法器做反馈支路，模拟乘法器有两个输入端，一个输出端。
对于该除法运算电路，必须保证i1=i2,电路引入的才是负反馈。
即当UI1>0时，,U0'<0;而UI1<0时,U0’>0,由于U0与UI1反相，故要求U0’与U0同符号。
因此，当模拟乘法器的k小于零时，UI2应小于零；而k大于零时，UI2应大于零；即k与UI2同符号。
同理，若乘法模拟器的输出端通过电阻接集成运放的同相输入端，则为保证电路引入的是负反馈，UI2与k符号应当相反。
2.电路结构简单，易于焊接。
3.元器件价格相对较高。
方案二：
我们可以运用对数和指数运算电路来间接设计实现二输入除法运算。
其中两个对称的对数运算电路作为输入级，中间级采用比例系数为1的差分比例运算电路，用一个指数运算电路作为输出级。
1.电路结构复杂，需要的元器件多，在焊接过程中容易出现虚焊或两点间的短路。
2.利用晶体管构成的对数运算电路，其运算关系仍受温度的影响，而且在输入电压较小和较大情况下运算精度会变差。
在设计实用的对数运算电路时，要采取一定的措施，用来减小is对运算关系的影响。
3.指数运算电路的输入电压UI应大于零，且只能在发射结导通电压范围内，故其变化范围很小。
运算结果与受温度影响较大的有关，因而指数运算的精度也与温度有关。
4.所需元器件为一般常用元器件，容易获得，且价格便宜。
我的选择：
方案一。
理由如下：
第一，方案二较方案一复杂，所需元器件虽为常用元器件，但元器件较多，焊接比较困难；第二，由方案二所得出的除法器输入电压较为难调，必须在相当小的范围内才有效；第三，方案一所需元器件少，易于焊接，较方案二来说方案一得出的除法器能在很大范围内出入电压且得到有效的输出电压。
综上所得方案一较方案二更佳。
（二）电源部分．
直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。
变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。
整流器把交流电变为直流电。
经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电源。
1）．直流稳压电源设计思路
（1）电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。
（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。
（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。
2）．直流稳压电源原理
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，其中：
（1）电源变压器：
是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
（2）整流电路：
利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电压，常用的整流滤波电路有全波整流、桥式整流，此处用的是桥式整流电路。
（3）滤波电路：
可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
（4）稳压电路：
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图2所示。
在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。
正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。
一般由直流电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下：
电源
变压器
整流电路
滤波电路
稳压电路
三、单元电路及其参数设计
1．除法器电路
在上述电路图中，设集成运放为理想运放，则Un=Up=0，为虚地，i1=i2，则
UI1/R1=-Uo/R2=-kUI1UI2/R2
整理上式，得出输出电压
Uo=-R2UI1/kR1UI2
令R1=1K,R2=2K
则Uo=-2UI1/kUI2
模拟乘法器选用AD633JN,其k值为0.1。
2.直流电源：
用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计固定的正负直流电源（±12V）
仿真电路图如图所示；
1.整流部分
（1）整流电路
（1）工作原理
1.当u2>0时，电流由+流出，经 D1、RL、D2流入-。
2.当u2<0时，电流由-流出，经 D3、RL、D4流入+。
这样，由于D1，D3和D2，D4两对二极管交替导通，致使负载电阻Rl在整个周期内都有电流通过。
（2）输出电压平均值UO（AV）和输出电流的平均值IO（AV）
（3）脉动系数
（4）二极管的选择
每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半。
二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压
对于二极管最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应留10%的余地，以保证二极管安全工作。
2滤波电路
滤波电容容量较大，一般采用电解电容器。
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）滤波原理
以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。
RL接入（且RLC较大）时（忽略整流电路内阻）
当u2上升，u2大于电容上的电压uc，u2对电容充电，uo=ucu2时间常数=（RL//Rint）C（小）
当u2下降u2小于电容上的电压。
二极管承受反向电压而截止。
电容C通过RL放电，uc按指数规律下降，时间常数=RLC
放电时间常数远远大于充电时间常数，
滤波效果取决于放电，其值愈大，滤波效果愈好，即，电容愈大，负载电阻愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大。
（2）输出电压平均值
当负载开路时
当RLC＝（3~5）T/2时
考虑电网电压波动，电容的耐压值应满足RC=（3~5）T/2即，应大于
（3）脉动系数S
3稳压二极管稳压电路
整流滤波电路输出电压不稳定的主要原因：
·负载变化； ·电网电压波动。
（1）利用三端稳压来构成稳压电路的
若输出电压较高，接一保护二极管D，以保护集成稳压器内部的调整管。
LM7812和LM7912的输出电压分别了正负12伏
图中C2和C3是用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小一般小于1微法
图中电容C4和C5是用于消除输出电压中高频噪声，可取小于1微法的电容，也可以去几微法或几十微法的电容，一边输出较大的脉冲电流
本实验的稳压电路，主要使用了集成块：
78系列及79系列。
78××系列输出为正电压，输出电流可达1A，如78L××系列和78M××系列的输出电流分别为0.1A和0.5A。
它们的输出电压分别为5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等7档。
和78××系列对应的有79××系列，它输出为负电压，如79M12表示输出电压为–12V和输出电流为0.5A。
故称之为三端式稳压器。
这类集成稳压器的外形图如图所示。
综上为除法运算电路和直流电源的设计
四、总原理图及元器件清单
（1）除法运算电路
（2）直流电源
元器件清单：
器件名称
型号
主要参数
数量
价格（元）
R1，R2
1KΩ
各1个
0.05
R3
2KΩ
1个
0.05
C1
耐压值50V
3300uF
2
2
C2
耐压值50V
0.1uF
2
0.4
C3
耐压值50V
220uF
2
0.5
C4
0.22uF
2
0.5
二极管
1N4007
6
0.6
发光二极管
2
0.2
稳压芯片
W7812W7912
Uo=12V、Io=100mA
1
放大集成块
UA741
5
1
乘法器
AD633JN
1
变压器
1
5
五、安装与调试
1.运算电路的安装
（1）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）集成块的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；
（3）注意乘法器的5号脚接-12V，8号脚接+12V电压。
2．运算电路的调试
（1）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）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）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：
一、用万用表检测输入电压UI1和UI2两处电压是否在理论范围内。
二、用万用表测量直流电源是否有－12v.+12v；
（4）正确的电路条件下至少测量5次输入电压之对应的输出电压。
3.的安装
（1）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）意7812和7912管脚的接法
4.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。
用万用表分别测量变压器原、副边线圈的输出电压，滤波后的输出电压，7812，7912的输入和输出电压。
六、性能测试与误差分析
1.除法运算电路性能测试：
UI1
UI2
Uo
0.2V
4.04V
-1V
0.4V
4.04V
-2V
0.6V
4.04V
-3V
0.81V
4.04V
-4V
1.1V
4.04V
-5V
计算：
根据Uo=-2Ui1/kUi2
可得k=-2Ui1/UoUi2
由上表得k1=0.10;k2=0.10;k3=0.10;k4=0.10;k5=0.所以
k=（k1+k2+k3+k4+k5）/5=0.10
误差计算:
η=|0.10-0.10|/0.1*100%=0
2.直流电源的性能测试
变压器原边电压：
220v
变压器副边电压：
U1=15.1VU2=-15.1V
7812的输入端电压：
20.5V
7812的输出端电压：
11.9V
7812输入端与输出端的电压差：
5V
7912的输入端电压：
-20.5V
7912的输出端电压：
-12V
7912输入端与输出端的电压差：
8.5V
误差计算：
变压器副边电压：
η=|30-30.2|/30=0.67%
7812的输出端电压：
η=|12-11.9|/12=0.8%
7912的输出端电压:
η=|12-12|/12=0
产生误差的原因：
1.实验仪器本身存在缺陷,集成块并不是理想的;
2.理论与实际不符，或偏大或偏小;
3.实验器材受环境温度的影响。
如二极管，晶体管都易受温度的影响，使得测量数据有偏差;
4.焊接不紧会使得输出数据不稳定或者说万用表的指针不易稳定，偏转较明显;
5.各导线接触不是很好也会导致误差;
6.静态工作点不是很理想;
7.在调节输入电压时由于仪器的原因使输入没达到理想值;
七、结论与心得
通过本次实验我懂得了实验成功的前提是实验原理图正确且焊接完好，若出现虚焊实验也是徒然的。
再者选择适当的器件和正确的测量方法是必胜的武器。
我在该实验调试过程中同另一个同学一样也出现了很多问题，最初我们在选择乘法器时选用的是四象限的MC1595，结果参数设计不当使得输出电压一直处于不变状态，这是犯下的最严重的错误，经过多次调试我们才发现使用的乘法器不妥，于是我们决定换用另外一种二象限的模拟乘法器AD633JN，电路原理图重新设计再焊接，虽庆幸的是修改后的除法器能很标准的实现其功能！
这让我懂得了成功的实验是建立在正确的理论之上的，在付出行动之前必须确保其理论是正确的，否则只会是花了时间却没有效果。
这次实验也让我明白了合作的重要性，在调试过程中因为多次测试都是开始时的结果，使我真的很想放弃，做同样实验的同学也是如此，问题和我差不多，大家相互鼓励最终使此次实验成功完成。
可见，团队间的相互鼓励也是很重要的，再者个人的恒心和耐心更是重要。
永不言弃！
此次实验让我收获不小，不仅在动手能力上有所提高，而且理论知识上也有收获。
学到了一些做实验的方法，有些理论值与实际值相比，并不是所有的理论值都是最佳的，还需通过实践来确证。
此次的除法运算电路还有待改进：
可以将输入端的电阻与反馈之路上的电阻改为相同阻值，这样更方便测试和计算。
参考文献
1．童诗白华成英编《模拟电子技术基础》高等教育出版社
2．彭介华编《电子技术实验与课程设计》高等教育出版社
3.青木英彦（日）著周难生译《模拟电路设计与制作》科学出版社
物理与电子信息学院模拟电路课程设计成绩表
专业：
班级：
学号：
姓名：
课题名称
除法运算电路
设计任务与要求
①设计一个二输入的除法运算电路。
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）。
设计报告成绩
评分标准：
有合理的方案设计和论证、电路参数的计算、总原理图和清单。
（0-20分）
电路板制作、调试规范，有详细制作和调试过程。
（0-10分）
电路板测试合理，对性能指标测试数据完整，正确；进行数据处理规范，进行了误差计算和误差分析。
（0-15分）
对课程设计进行了总结，有体会，并能提出设计的改进、建设性意见。
（0-5分）
设计报告成绩：
电子
作品成绩
评分标准：
电路正确，能完成设计要求提出的基本功能。
（0-30分）
电路板焊接工艺规范，焊点均匀，布局合理。
（0-20分）
（其中直流电源部分占20%，功能部分80%）
电子作品成绩：
课程设计成绩
总成绩：
指导教师：
2011年1月12日
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