電工電子綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)課論文-運(yùn)算放大器電路應(yīng)用-旋轉(zhuǎn)器設(shè)計(jì)

1、PAGE PAGE 12電工電子綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)課論文學(xué) 生：- 運(yùn)算放大器電路應(yīng)用 旋轉(zhuǎn)器設(shè)計(jì)摘要：旋轉(zhuǎn)器實(shí)際是一種使旋轉(zhuǎn)前后的伏安特性曲線旋轉(zhuǎn)一定角度的電路，本實(shí)驗(yàn)利用運(yùn)算放大器構(gòu)造T型電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)器網(wǎng)絡(luò)，主要論述如何設(shè)計(jì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)角=-30（順時(shí)針），定標(biāo)系數(shù)R=1k的旋轉(zhuǎn)器電路；分別用電阻和非線性元件（二極管）作負(fù)載，測(cè)量并計(jì)算旋轉(zhuǎn)前后的伏安特性角度，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)角度；作者應(yīng)用Multisim 7軟件進(jìn)行仿真模擬，并運(yùn)用Matlab、 Excel等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出擬合曲線。關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)器設(shè)計(jì) 仿真模擬 擬合曲線 Multisim 7、Matlab軟件引言：運(yùn)算放大器是具

2、有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。運(yùn)算放大器是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，如今絕大部分的運(yùn)放是以單片的形式存在?，F(xiàn)今運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于幾乎所有的行業(yè)當(dāng)中。旋轉(zhuǎn)器作為運(yùn)算放大器的一種應(yīng)用，其實(shí)質(zhì)在于利用運(yùn)算放大器構(gòu)造T型電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)器網(wǎng)絡(luò)。本文將圍繞旋轉(zhuǎn)器的設(shè)計(jì)及相關(guān)軟件的仿真模擬展開。實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備裝置1.1實(shí)驗(yàn)器材：運(yùn)算放大器、電阻、電壓表、電流表，二極管1.2實(shí)驗(yàn)原理：1.2.1負(fù)電阻實(shí)驗(yàn)原理實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)器的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，需要用到負(fù)電阻，所以要先利用運(yùn)算放大器及一

3、些電阻元件設(shè)計(jì)一個(gè)負(fù)阻抗變換器?，F(xiàn)在負(fù)阻抗的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，對(duì)此加以利用的回轉(zhuǎn)器可以實(shí)現(xiàn)電感電容之間的轉(zhuǎn)換，這大大地滿足了商業(yè)需求。 運(yùn)算放大器構(gòu)成的負(fù)電阻變換器的原理如圖1所示。 圖1 負(fù)電阻變換器原理圖在圖1所示的負(fù)電阻變換器原理中，由運(yùn)算放大器的虛短特性知A、C兩端的節(jié)點(diǎn)電壓相等，由歐姆定律知。由運(yùn)算放大器虛斷特性，知i QUOTE ， QUOTE 。再由運(yùn)算放大器虛短特性，沿節(jié)點(diǎn)EDC構(gòu)成的回路，運(yùn)用KVL，易知 ，故。可見，沿AB兩端往右看，輸入電阻為 ，該運(yùn)算放大器構(gòu)成的電路實(shí)現(xiàn)的負(fù)電阻。1.2.2 旋轉(zhuǎn)器設(shè)計(jì)原理：旋轉(zhuǎn)器符號(hào)如圖2所示，可以將線性或非線性元件在 ui平面旋轉(zhuǎn)一個(gè)角

4、度，產(chǎn)生新的電路元件。 圖2 旋轉(zhuǎn)器符號(hào) 圖3 旋轉(zhuǎn)器“旋轉(zhuǎn)”前后若將圖中A的u-i特性的非線性的電阻元件接在圖2的 U2 端口，則在圖3中的U1端口得到圖2中B的u-i特性曲線。 從圖2可見，曲線B是由曲線A反時(shí)針旋轉(zhuǎn)了角。設(shè)曲線上任一點(diǎn)P 坐標(biāo)（u,i）,離原點(diǎn)距離為r,則有 （a） （b）點(diǎn)P反時(shí)針旋轉(zhuǎn)了角后到P點(diǎn)，坐標(biāo)（u1，i1） 為 (a1) (b1)把（a）帶入(a1)式得： (a2)把（b）帶入(b1)式得： (b2)式(a2)中 cos 無(wú)量綱；sin是電阻的量綱，因而要乘一個(gè)定標(biāo)系數(shù)R。定標(biāo)系數(shù)的大小取決于u-i曲線中電壓和電流的單位，R=u/i。式（a2）變?yōu)椋?同樣式（

5、b2）中 cos 無(wú)量綱，sin是電導(dǎo)的量綱，要除一個(gè)定標(biāo)系數(shù)R。式 (b2) 變?yōu)椋?定義 QUOTE , QUOTE ，因此有T參數(shù)方程：用T形電阻網(wǎng)絡(luò)的旋轉(zhuǎn)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)T參數(shù)的3個(gè)電阻是因此有式中，R為定標(biāo)系數(shù)。由于定義了旋轉(zhuǎn)反時(shí)針為+角，對(duì)于旋轉(zhuǎn)順時(shí)針，式中R3為負(fù)，即R3是負(fù)電阻，由上實(shí)現(xiàn)的負(fù)電阻利用進(jìn)來(lái)就可實(shí)現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)功能。2、實(shí)驗(yàn)過(guò)程： 根據(jù)旋轉(zhuǎn)器原理，設(shè)計(jì)一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)30度的旋轉(zhuǎn)器。取定標(biāo)系數(shù)為R=1000。由， R3=-2000。2.1根據(jù)負(fù)電阻原理，設(shè)計(jì)負(fù)電阻：a、負(fù)電阻電路圖如圖4所示： 圖4 負(fù)電阻電路圖b、通過(guò)Multisim 7軟件進(jìn)行仿真模擬，驗(yàn)證負(fù)電阻

6、，如圖5所示：圖5 負(fù)電阻仿真模擬圖由R=U/I=10V/-5.215mA=-1918，符合理論值，可以用于實(shí)驗(yàn)。2.2 利用上設(shè)計(jì)好的負(fù)電阻，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)器電路由，R1=R2=267.95設(shè)計(jì)電路如圖6所示：圖6 旋轉(zhuǎn)器電路圖2.3驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)特性2.3.1利用線性元件即電阻去驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)特性電路設(shè)計(jì)如圖7：圖7 電阻驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)特性測(cè)量結(jié)果如表1：U1，I1為旋轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)的電壓與電流；U2，I2為不旋轉(zhuǎn)時(shí)的并與U1和I1相對(duì)應(yīng)的電壓與電流。表1 電阻伏安特性曲線旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)其中，旋轉(zhuǎn)角的平均值：=-29.7232；誤差E=29.7232-3030100=0.93。利用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果如

7、圖8所示：圖8 電阻旋轉(zhuǎn)示意圖2.3.2用非線性元件即二極管來(lái)驗(yàn)證其旋轉(zhuǎn)特性電路設(shè)計(jì)如圖9所示：圖9二極管驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)特性測(cè)量結(jié)果如表2:U1，I1為旋轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)的電壓與電流U2，I2為不旋轉(zhuǎn)時(shí)的并與U1和I1相對(duì)應(yīng)的電壓與電流表2二極管伏安特性曲線旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)UII1U2I2-74.005-8.072-0.00711-29.8262-6.53.718-7.49-0.00622-29.8171-63.43-6.918-0.00622-29.8067-5.53.144-6.341-0.00529-29.8017-52.857-5.765-0.00529-29.7962-4.52.569-5.188-0.0

8、0441-29.7703-42.284-4.611-0.00441-29.7812-3.51.996-4.034-0.00355-29.746-31.709-3.457-0.00311-29.7203-2.51.423-2.881-0.00267-29.7015-21.136-2.304-0.00222-29.6518-1.50.848-1.727-0.00174-29.5386-10.562-1.15-0.0016-29.4157-0.50.275-0.573-0.00058-28.86910.5-0.2660.5630.029-30.961710.4240.6520.875-30.3317

9、1.51.2520.6711.842-30.133822.0960.6822.823-30.07572.52.9460.693.809-30.050433.8010.6964.798-30.02913.54.6570.7015.789-30.022545.5150.7056.6782-29.92694.56.3740.7087.775-30.018857.2330.7118.769-30.01975.58.0950.7149.764-30.011168.9560.71711-30.09046.59.8170.71912-30.08037110.72113-29.29677.5120.72314

10、-29.04918120.72314-30.73388.5130.72616-30.58059140.72817-30.28319.5150.72918-30.028210160.73119-29.8021其中，旋轉(zhuǎn)角的平均值：=-29.9045誤差E=29.9045-3030100=0.03利用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果如圖10所示： 圖10 二極管旋轉(zhuǎn)示意圖圖11二極管旋轉(zhuǎn)擬合示意圖結(jié)果與討論本實(shí)驗(yàn)利用運(yùn)算放大器構(gòu)造T型電阻網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)器網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論數(shù)值。在仿真模擬時(shí)，發(fā)現(xiàn)在研究線性元件的旋轉(zhuǎn)特性時(shí)，測(cè)量負(fù)載伏安特性曲線使用電流表內(nèi)接法可減小誤差，而在研究非線性元件的旋轉(zhuǎn)特性時(shí)則使用電流表外接法可減小誤差。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在測(cè)量二極管伏安特性曲線旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)電源取0.5V時(shí),軟件無(wú)法仿真出結(jié)果,經(jīng)過(guò)修改，將電流表與二極管交換電路中的位置時(shí)，才可以仿真出結(jié)果，具體原因,有待進(jìn)一步研究。 5、結(jié)論（1）本實(shí)驗(yàn)是用Multisim 7軟件做虛擬完成的，采用的都是理想元件。（2）由運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)移特性,電路所加電壓不能超過(guò)其飽和電壓(10V左右),超過(guò)飽和電壓，