電子電工綜合實(shí)驗(yàn)

1、電子電工綜合實(shí)驗(yàn)非線性電阻電路及應(yīng)用的研究研究人：王蒙學(xué)號(hào)：0704210145指導(dǎo)老師：X老師完成時(shí)間：2009/2/25非線性電阻電路及應(yīng)用的研究【摘要】“在教導(dǎo)入門的電路課程中，傳統(tǒng)方法都是只教線性非時(shí)變RLC電路，但是這一方法 已經(jīng)很明顯的落伍了?！把b置模型的觀念及其目前在實(shí)用裝置上的應(yīng)用對線性和非線性電路課程 非常重要?！北酒撐姆譃闃?biāo)題、摘要、關(guān)鍵詞、引言、正文、結(jié)論、致謝及參考文獻(xiàn)八個(gè)部分， 首先介紹了非線性和非線性電路的概念以及特點(diǎn)，進(jìn)而介紹非線性電路的重要性，接著根據(jù) 課題要求對一些非線性元件進(jìn)行分析，并就非線性電阻電路的伏安特性曲線、連接方法等進(jìn) 行研究，設(shè)計(jì)出符合課題要求

2、的非線性電阻電路。【關(guān)鍵詞】非線性電路元件非線性電路凹電阻 凸電阻電路的分解【引言】.什么是非線性和非線性電路在以前的學(xué)習(xí)中，我們接觸過許多由線性電路元件和獨(dú)立源組成的線性電路，其中線性 電路元件的參數(shù)都是與元件中電流、電壓、電荷或磁鏈等量值無關(guān)的常數(shù)。但是，在電工技 術(shù)應(yīng)用中用得更為廣泛的一些元件，參數(shù)并不是常數(shù)，而是電流、電壓、電荷或磁鏈等量值 的函數(shù)。這類元件稱為非線性電路元件。含有非線性電路元件的電路稱為非線性電路。而在 現(xiàn)實(shí)生活中的電路幾乎都是非線性電阻電路。研究非線性電路的重要性嚴(yán)格地說，實(shí)際電路都是非線性的，只是有的電路非線性程度強(qiáng)些，有的弱些。因此， 在現(xiàn)實(shí)電路設(shè)計(jì)中，非線性電

3、路具有普遍的意義，而線性電路是其特殊情形。由于非線性電 路的不可預(yù)測和其復(fù)雜性，這是我們在電路電路設(shè)計(jì)中必須考慮的，不然就會(huì)由于非線性的 作用，達(dá)不到預(yù)期設(shè)計(jì)的效果。在工程上，如果對于那些非線性程度較明顯的電路元件還按照線性電路元件處理，不僅 會(huì)產(chǎn)生極大的誤差，而且有時(shí)還會(huì)無法解釋電路中所發(fā)生的現(xiàn)象，也無法建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行 理論分析。本課題的基本理論依據(jù)基爾霍夫定律元件的伏安關(guān)系研究方法非線性代數(shù)方程分段線性化法課題設(shè)計(jì)要求1）用二極管、穩(wěn)壓管、穩(wěn)流管等元器件設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示伏安特性的非線性電阻 電路。2）測量所設(shè)計(jì)電路的伏安特性并作曲線，與圖1、圖2比對。圖1圖2非線性的概述非線性科學(xué)是

4、一門新興的科學(xué)，是研究和探索自然界和人類社會(huì)中種種復(fù)的非線性問題 及其共同特征的一門綜合性學(xué)科。非線性理論的發(fā)展使人們對自然界中的許多復(fù)雜現(xiàn)象有了 新的認(rèn)識(shí)。過去人們總是試圖將復(fù)雜的非線現(xiàn)象分解或分離成許多簡單的近似線性系統(tǒng)，希 望能通過簡單的線性系統(tǒng)來理解復(fù)雜的現(xiàn)象。但隨著科學(xué)技術(shù)和工程技術(shù)的發(fā)展非線性科 學(xué)，近似的線性系統(tǒng)不可避免的暴露其局限性，從而建立更完善的非線性系統(tǒng)理論來解釋復(fù) 雜非線性問題成為了人們探索自然的迫切需要解決的問題。目前有六個(gè)主要研究領(lǐng)域，即： 混沌、分形、模式形成、孤立子、元胞自動(dòng)機(jī)，和復(fù)雜系統(tǒng)。非線性的特點(diǎn)：穩(wěn)態(tài)不唯一。用刀開關(guān)斷開直流電路時(shí)，由于電弧的非線性使這時(shí)

5、的電路出現(xiàn)由不同起始條件決定的兩個(gè)穩(wěn)態(tài)一一一個(gè)有電弧，因而電路中有電流;另一個(gè)電弧熄滅， 因而電路中無電流。自激振蕩。在有些非線性電路里，獨(dú)立電源雖然是直流電源，電路的穩(wěn)態(tài)電壓（或電流）卻可以有周期變化的分量，電路里出現(xiàn)了自激振蕩。音頻信號(hào)發(fā)生器的自激振 蕩電路中因有放大器這一非線性元件，可產(chǎn)生其波形接近正弦的周期振蕩。諧波。正弦激勵(lì)作用于非線性電路且電路有周期響應(yīng)時(shí)，響應(yīng)的波形一般為非正弦的，含有高次諧波分量或次諧波分量。例如，整流電路中的電流常會(huì)有高次諧波分量。跳躍現(xiàn)象。非線性電路中，參數(shù)（電阻、電感、振幅等）改變到分岔值時(shí)響應(yīng)會(huì)突變，出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象。鐵磁諧振電路中就會(huì)發(fā)生電流跳躍現(xiàn)象。頻率

6、捕捉。正弦激勵(lì)作用于自激振蕩電路時(shí)，若激勵(lì)頻率與自激振蕩頻率二者相差很小，響應(yīng)會(huì)與激勵(lì)同步?；煦纭?0世紀(jì)20年代，荷蘭人B.X德坡爾描述電子管振蕩電路的方程，成為研究混沌現(xiàn)象的先聲。【正文】實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備裝置電路圖1：直流電流表AMMETERH內(nèi)阻 1e-009Q二極管D1，D2值模型）:SS32封裝：DO-214AB制造廠商：generic電路圖2：直流電流表AMMETERH內(nèi)阻 1e-009Q二極管 D1，D2, D3，D4, D5, D6 實(shí)驗(yàn)過程值(模型):DIODE_VIRTUALA 了解凹、凸電阻的概念如右圖，當(dāng)直流電壓源、理想二極管與一個(gè)電阻串聯(lián)時(shí)，電路對外等效為一個(gè)凹電阻（伏

7、安特性曲線如附錄圖3），它是由V1、D1、R1三個(gè)元件的伏安關(guān)系特性在i相等的情況下相加而得。圖3中，i-u曲線的斜率為電阻R1的倒數(shù)，則i-u函數(shù)表達(dá)式為，=：(-Us).R如右圖，當(dāng)直流電流源、理想二極管與一個(gè)電阻并聯(lián)時(shí)，電路對外等效為一個(gè)凸電阻（伏安特性曲線如附錄圖4），它是由I1、D2、R2三個(gè)元件的伏安關(guān)系特性在u相等的情況下相加而得。圖4中，i-u曲線的斜率仍然為電阻R1的倒數(shù)，則i-u函數(shù)表達(dá)式為i = Is u .RB串聯(lián)分解法設(shè)計(jì)電路圖1串聯(lián)分解法在伏安特性圖中以電流I軸為界來分解曲線。如附錄圖5,原圖1可分為第一象限和第三象限兩個(gè)部分。在電流不變的基礎(chǔ)上將電壓相加，第一象限

8、內(nèi)可得到以下分段函數(shù)表達(dá)式：i = 2u(0 V u 1)。該函數(shù)可用兩個(gè)凸電阻(Is=0, R=0.5kQ；Is=2mA,R= s )串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。圖4a1圖4b圖4c由觀察可知，原圖線中第三象限部分是第一象限部分旋轉(zhuǎn)180所得。化簡后的電路如圖5所示。右下角綠線虛線所畫出的部分即為所求的非線性電路。C 并聯(lián)分解法設(shè)計(jì)電路圖2并聯(lián)分解法在伏安特性圖中以電壓U軸為界來分解曲線。如附錄圖6,原圖2以電壓U 軸為界，也可分為第一象限和第三象限兩個(gè)部分。所以最后一步并聯(lián)現(xiàn)就第一象限進(jìn)行分析，則可得到以下分段函數(shù)表示式：i = 0(0 u 6), i = u - 3(6 u 12), i = u - 9(

9、12 u 15)122345該函數(shù)所表示的電路可以用兩個(gè)凹電阻(Us=6V, R=2kQ； Us=12V, R=2kQ )并聯(lián)， 然后再與一個(gè)凸電阻(Is=6mA,R=2/3kQ )串聯(lián)而得。附：相關(guān)參數(shù)的詳細(xì)求法由*, i2可以凹電阻模型得出第一組參數(shù)Us = 6V,R = 1/0.5 = 2kQ ；由七-，；=2u - 6 得第二組參數(shù)Us = 12V,R = 1/0.5 = 2kQ ；此時(shí)對比i4，在電壓大于15V時(shí)，圖線的斜率(0.6)將偏大與第二部分斜率(0.5)而 偏小與第三部分斜率(1.0)；因此在前兩條支路并聯(lián)(電壓相等基礎(chǔ)上電流相加)之后，要 再串聯(lián)一個(gè)凸電阻(電流相等基礎(chǔ)上

10、電壓相加)先把i3, i4分別用電壓表示：.c 5 . L2 .,.3u =，+ 9,u = ，+ 5 .則有u u = i 6，變形為i = u + 6,也就是說，應(yīng)當(dāng)再串聯(lián)3434332一個(gè)參數(shù)為Is = 6mA,R = 2/3kQ的凸電阻。經(jīng)過以上分析，可以得出如下的電路圖的一條支路，由于第三象限部分可以由第一象限 部分旋轉(zhuǎn)180。得到，可將兩條相反的支路并聯(lián)：如圖，綠色虛線所示部分即為所設(shè)計(jì)的非 線性電阻電路。圖6a圖6b圖6c圖6d圖6a為圖6b與圖6c在電壓不變時(shí)電流相加之和，再與圖6d在電流不變時(shí)電壓相加之D調(diào)試各參數(shù)，從而更接近目標(biāo)值經(jīng)過多次調(diào)試，發(fā)現(xiàn)由于各個(gè)元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相異

11、、儀器內(nèi)阻等各方面因素的存在，真 正能符合題目條件的原件組合往往并不是算出的理論值。在調(diào)試過程中，要根據(jù)原參數(shù)顯示出來的現(xiàn)象做分析，而不是盲目地調(diào)。比如，在調(diào)試第二個(gè)電路參數(shù)時(shí)，當(dāng)輸入12V電壓正常，但是當(dāng)輸入15V時(shí)，示數(shù)偏小。這說明圖6b 的斜率合適，但是圖6c的斜率偏小，即1偏小，所以要將12V電壓源支路的R調(diào)小一點(diǎn)。R多次調(diào)試之后，最終能得出一組最為接近課題要求的參數(shù)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果測試之后，可以分別得出如下圖所示表格：其中圖8a對應(yīng)圖5，圖9a對應(yīng)圖7。數(shù)據(jù)表一：uAA-3. 0-2-2. 5-2. 001-2. 0-2-1. 5-2-1. 0-1. 91-0. 5-1. 0090. 0

12、00. 51. 0091. 01. 911. 522. 02. 0002. 52. 0013. 02數(shù)據(jù)表二：圖8aI/mA-25-12. 0000-20-8. 9920-15-5. 9310-12-3. 0380-9-1. 4990-6-0. 0580-3-0. 000400. 000030. 000460. 058091. 4960122. 9950155. 9S10208. 99202512. 0000根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)畫出圖線，見圖8a,9b。結(jié)果的討論由最終的圖線可以看出，非線性電路的伏安關(guān)系并不是簡單的正比關(guān)系。對比最終得出 的伏安特性曲線，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在誤差X圍內(nèi)與課題要求相符。本次實(shí)

13、驗(yàn)通過multisim7.0軟件 虛擬完成，對我的綜合能力提出了較高的要求，也培養(yǎng)了我研究問題的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度。在本課題 的完成過程中，i-u圖線的分解，即對一些非線性原件采用的理想的折線模型是關(guān)鍵。根據(jù) 非線性元件的折線模型得出凹、凸電阻的概念，然后在基爾霍夫定律的理論依據(jù)下，利用各 類非線性元件的串并聯(lián)達(dá)到電路設(shè)計(jì)的目的。在用multisi7.0軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的過程中，不斷地調(diào)整電路各參數(shù)，也非常重要。該 軟件向我們提供了高度的仿真手段，所以我能夠很及時(shí)地對各元件的參數(shù)作出調(diào)整。通過實(shí) 驗(yàn)，我意識(shí)到由于器件本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、制作工藝的不同，理論結(jié)果往往并不是實(shí)踐起來行 得通的，只有在不斷的實(shí)踐中

14、調(diào)整，才能得出最合適的結(jié)果?！窘Y(jié)論】面對任何一個(gè)全新領(lǐng)域，人們總是會(huì)用簡單的、已知的，去表示復(fù)雜的、未知的?！岸?端電阻的非線性伏安特性，如果用若干段直線的組合來逼近，就可以在每一個(gè)直線段區(qū)間內(nèi) 把非線性問題轉(zhuǎn)化為局部線性問題，這不僅簡化了圖解手續(xù)并利于解析計(jì)算，還為計(jì)算機(jī)輔 助分析提供了方便條件?！薄靶枰赋觯瑢τ诙O管、晶體管和集成運(yùn)放等非線性原件采用的 理想的折線模型，有利于非線性電阻電路分析的系統(tǒng)化。”通過本次論文，我對非線性以及非線性電路有了初步的認(rèn)識(shí)，加深了對非線性電路的一 些基本分析方法的了解。在非線性電阻電路的特點(diǎn)方面，本實(shí)驗(yàn)只對其伏安特性、相互作用 性做了初步研究，如果深入下去，還可以對其突變性以及由初值的微小變化引起的混沌現(xiàn)象 進(jìn)行研究。