電工電子綜合實驗報告-負阻抗變換器和回轉器VIP

電工電子綜合實驗報告負阻抗變換器和回轉器的設計一、摘要本文提出了利用運算放大器實現(xiàn)：（1） 負阻抗變換器（NIC）的電路 （2） 回轉器電路二、 引言1、理想運算放大器有著開環(huán)電壓放大倍數A為無窮大；輸入電阻為無窮大；輸出電阻為零的特性。而它在線性工作區(qū)的兩個特性：“虛短”及“虛短”使得它有了廣泛的應用。如比例器、加法器、減法器、積分器等。本文中則是實現(xiàn)了簡單的負阻抗變換器和回轉器。2、負阻抗變換器（NIC）是一種二端口器件，是電路理論中的一個重要的基本概念，在工程實踐中也有廣泛的應用。它一般由一個有源二端網絡形成一個等值的線性負阻抗。該網絡可由線性集成電路或晶體管等元器件組成。3、回轉器是一種二端口網絡元件，可用含晶體管或運算放大器的電路來實現(xiàn)。它有著不消耗能量不存儲能量非記憶元件線性非互異元件電量回轉作用的特點。也就是說它具有把一個端口的電壓（或電流）“回轉”成另一端口電流（或電壓）的能力。它的一個重要用途就是將電容“回轉”成電感，或反之。三、正文（一）實驗材料與設備裝置本實驗采用的是虛擬的方法，所使用的軟件為Multisim7。（二）實驗過程1、用運放設計一負阻抗變換器（NIC）電路電流反向型負阻抗變換器（INIC）（圖11）圖11 INIC電路INIC的端口特性可用T參數描述為： U1 1 0 U2 ，其中 1 0 = T= I1 0 -1/k I2 0 -1 /k 當有負載Zl時，11 端口看進去的端口阻抗Z=U1/I1=kU2/I2，即為Z=-kZ2.即若22接電阻R時，端口阻抗為-kR;接電感時，端口阻抗為-kL；接電容時，端口阻抗為-kC。電壓反向型負阻抗變換器（VINC）（圖12）圖12 VNIC電路VNIC的端口特性可用T參數描述為： U1 -k 0 U2 ，其中 -k 0 = T= I1 0 1 I2 0 1當有負載Zl時，11 端口看進去的端口阻抗Z=U1/I1=kU2/I2，即為Z=-kZ2.即若22接電阻R時，端口阻抗為-kR;接電感時，端口阻抗為-kL；接電容時，端口阻抗為-kC?？偨Y：利用NIC電路可實現(xiàn)負電阻、負電容及負電感。實驗電路INIC的開路穩(wěn)定（OCS）及短路穩(wěn)定（SCS）性的研究 OCS研究：改變OCS端口的阻值，觀察T矩陣中參數k的變化情況。實驗線路參見圖131a。其中SCS端口接入7V直流電源，元件R1=1000歐，R2=2000歐，R3為可調。則K理論值為0.5。圖131a 電流反相型阻抗變換器實驗電路a（INIC）表131aR3U/VIR=U/IK=-R/R3OCS端口接入小電阻臨界狀況507.0000.028A5007.0000.028A10007.0000.028A10017.000-0.014A-50010507.000-0.013A-538.4OCS端口接入大電阻1600.07.000-8.753mA-799.70.49981800.07.000-7.780mA-899.70.49982000.07.000-7.002mA-999.70.49982200.07.000-6.365mA-1099.70.49992400.07.000-5.835mA-1199.60.4998從表中數據我們不難發(fā)現(xiàn)當OCS端口接入的電阻值小于1000歐時，電路并不滿足上面推導的T矩陣關系式，而接入大于1000歐的電阻時，電路趨于穩(wěn)定，而實驗測得的參數k=0.4998的誤差為0.4，這說明該電路能很好的滿足T矩陣關系式。即OCS端口只允許接高阻抗負載，即滿足開路穩(wěn)定。 SCS研究：改變SCS端口的阻值，觀察T矩陣中參數k的變化情況。實驗線路參見圖131b。其中SCS端口接入7V直流電源，元件R1=1000歐，R2=2000歐，R3=3000歐,R4可調。則K理論值為0.5。圖131b 電流反相型阻抗變換器實驗電路b（INIC）表131bR4U/VIR=U/IK=-R/R3SCS端口接入小電阻107.047-4.699mA-1499.7 0.4999307.143-4.763mA-1499.70.4999507.241-4.828mA-1499.80.4999707.342-4.897mA-1499.30.4998907.446-4.966mA-1499.40.4998臨界狀況SCS端口接入大電阻66712.593-8.397mA-1499.7668-4.2130.017A-247.8800-5.4430.016A1000-6.9970.014A1200-8.2960.013A從表中數據我們不難發(fā)現(xiàn)當SCS端口接入的電阻值大于667歐時，電路并不滿足上面推導的T矩陣關系式，而接入小于667歐的電阻時，電路趨于穩(wěn)定，而實驗測得的參數k=0.49986的誤差為0.28，這說明該電路能很好的滿足T矩陣關系式。即SCS端口只允許接低阻抗負載，即滿足短路穩(wěn)定。實驗電路VNIC的開路穩(wěn)定（OCS）及短路穩(wěn)定（SCS）性的研究OCS研究：改變OCS端口的阻值，觀察T矩陣中參數k的變化情況。實驗線路參見圖141a。其中OCS端口接入8V直流電源，元件R1=1歐，R2=0.5歐，R3為可調。則K理論值為2。圖141a 電壓反相型阻抗變換器實驗電路a（VNIC）表141aR3U/VIR=U/IK=-R/R3臨界狀況1n8.00014.500GA1u8.000-4.004MA1.9980uOCS端口接入大電阻1000.08.000-4.000mA-2000.02.00001200.08.000-3.332mA-2401.02.00081400.08.000-2.858mA-2799.21.99941600.08.000-2.503mA-3196.21.99761800.08.000-2.222mA-3600.42.0002經過多次實驗，我發(fā)現(xiàn)當OCS端口接入的電阻值小于1u歐時，電路才并不滿足上面推導的T矩陣關系式，而接入大于1u歐的電阻時，電路趨于穩(wěn)定，而實驗測得的參數k=1.9996的誤差為0.2，這說明該電路能很好的滿足T矩陣關系式。對于這個電路，它對大電阻的要求并不高，只需大于1u歐的電阻的電阻就可。 SCS研究：改變SCS端口的阻值，觀察T矩陣中參數k的變化情況。實驗線路參見圖141b。其中SCS端口接入8V直流電源，元件R1=1歐，R2=0.5歐，R3=3000歐,R4可調。則K理論值為2。圖141b 電壓反相型阻抗變換器實驗電路b（VNIC）表141bR4U/VIR=U/IK=-R/R3SCS端口接入小電阻10.08.013-1.336mA-5997.81.999330.08.040-1.341mA-5995.61.998550.08.067-1.345mA-5997.81.999370.08.094-1.350mA-5995.61.998590.08.121-1.354mA-5997.81.9993臨界狀況接入大電阻2630.014.056-2.316mA-6069.12636.014.060-2.315mA-6073.42637.0-5.5635.149mA-1080.44000.0-8.5164.418mA-1927.6從表中數據我們不難發(fā)現(xiàn)當SCS端口接入的電阻值大于2637歐時，電路并不滿足上面推導的T矩陣關系式，而接入小于2637歐的電阻時，電路趨于穩(wěn)定，而實驗測得的參數k=1.99898的誤差為0.5，這說明該電路能很好的滿足T矩陣關系式。即SCS端口只允許接低阻抗負載，即滿足短路穩(wěn)定?？偨Y以上四組數據可知，用集成運放組成的NIC，為穩(wěn)定工作，必須保證運放的負反饋強于正反饋。OCS正是只容許接高阻抗負載的端口，為開路穩(wěn)定端；SCS正是只容許接低阻抗負載的端口，為短路穩(wěn)定端。2、用運放設計一個回轉器電路設計如圖21的回轉器圖21回轉器電路參數見圖示?；剞D器電壓電流關系式的推導過程如下：其中g=1/R.很顯然，此方程為回轉器（與圖21相比，回轉方向變?yōu)橄蜃罅耍┑姆卜匠蹋蚀穗娐窞橐换剞D器。測量回轉參數g，電路如圖22。元件參數為：電阻R1-R7和R9全取1000歐，電源電壓3V，頻率1000赫茲，R8為可調電阻。則理論值g=1/R8=0.001。圖22 回轉器參數測量電路表2-2R8U1/VI1/mAU2/VI2/mAg1=I1/U2g2=I2/U1g=(g1+g2)2g1002.7250.2750.2722.7250.0010.0010.0010.0012002.4980.5020.5002.4980.0010.0010.0013002.3060.6940.6922.3060.0010.0010.0014002.1420.8580.8562.1410.0010.0010.0015001.9991.0010.9991.9980.0010.0010.0016001.8741.1261.1241.8730.0010.0010.0017001.7641.2361.2341.7630.0010.0010.0018001.6661.3341.3321.6650.0010.0010.001顯然，g實驗值與理論值十分吻合。將電容回轉成一模擬純電感為了證明回轉器將純電容回轉成一純電感，可將其與一個電容串聯(lián)，測量回路中電流量，觀察是否發(fā)生了串聯(lián)諧振。電路如圖2-3。元件參數：電阻R1-R7全取1000歐,R9=2000歐，電源電壓8V，頻率可調，電容C1和C2均取1uF.經過該電路C1回轉成一個1H的電感，將1uF的電容與之串聯(lián)，則發(fā)生諧振的頻率為f0=159.155赫茲。圖23 將電容回轉成電感電路表2-3f/Hz100110120130140150155160I/mA3.6053.7433.8473.9213.9693.9954.0004.002f/Hz165170180190200210220230I/mA3.9993.9793.9573.9403.9003.8533.8013.745特別的，我還測得了f0=159.155Hz時,I=4.002mA為了得到直觀的I變化趨勢，作圖2-3-1。圖2-3-1 I-f圖從圖中我們可以讀出I取最大值時所對應的頻率為160Hz，誤差為0.5，這說明了設計的電路的確將電容回轉成了一個純電感。四、 總結本次實驗中我研究的側重點為電路中參數的選擇實驗數據的測量及處理。在電路元件參數的選擇方面，需要我們對電路的原理及運行方式和特性有熟練的掌握，否則無法選出能夠測得較準數據電路元件。如在NIC電路之中，T矩陣參數的有幾種表達方式，為了減少可能出現(xiàn)的誤差，我選擇了本文中的矩陣方式，在測量過程中我們只需測一個參數即k即可，如此很是方便快捷。不僅如此，實驗中電路里的電源也有一定的要求。一開始做這個實驗時我選擇的電源過大，測出的數據跳動性很大，在選擇了小一些的電源之后，實驗數據穩(wěn)定了很多。在實驗數據的測量及處理方面，主要的難點在NIC電路中端口SCS和OCS研究上。在此，我選擇了控制變量法的研究方法?？刂屏穗娐分械淖兞恐?，研究也變得方便了很多。而測量出SCS和OCS端口的臨界電阻也需要很大的耐心，不斷重復測量。在回轉電路中，如何證明電容回轉后