電工電子綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告-負(fù)阻抗變換器和回轉(zhuǎn)器

1、電工電子綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告一一負(fù)阻抗變換器和回轉(zhuǎn)器的設(shè)計(jì)一、摘要本文提出了利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)：（1） 負(fù)阻抗變換器（NIC）的電路（2） 回轉(zhuǎn)器電路二、引言1、理想運(yùn)算放大器有著開環(huán)電壓放大倍數(shù)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(gè)特性：“虛短”及“虛短”使得它有了廣泛的應(yīng)用。如比例器、加法器、減法器、積分器等。本文中則是實(shí)現(xiàn)了簡單的負(fù)阻抗變換器和回轉(zhuǎn)器。2、負(fù)阻抗變換器（NIC）是一種二端口器件，是電路理論中的一個(gè)重要的基本概念，在工程實(shí)踐中也有廣泛的應(yīng)用。它一般由一個(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)等值的線性負(fù)阻抗。該網(wǎng)絡(luò)可由線性集成電路或晶體管等元器件組成。3、回轉(zhuǎn)器是一

2、種二端口網(wǎng)絡(luò)元件，可用含晶體管或運(yùn)算放大器的電路來實(shí)現(xiàn)。它有著不消耗能量不存儲(chǔ)能量非記憶元件線性非互異元件電量回轉(zhuǎn)作用的特點(diǎn)。也就是說它具有把一個(gè)端口的電壓（或電流）“回轉(zhuǎn)”成另一端口電流（或電壓）的能力。它的一個(gè)重要用途就是將電容“回轉(zhuǎn)”成電感，或反之。三、正文（一）實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備裝置本實(shí)驗(yàn)采用的是虛擬的方法，所使用的軟件為Multisim7。（二）實(shí)驗(yàn)過程1、用運(yùn)放設(shè)計(jì)一負(fù)阻抗變換器（ NIC）電路Word資料電流反向型負(fù)阻抗變換器（INIC）（圖 1 1）INIC的端口特性可用 T參數(shù)描述為：U1U2 ,其中T=I10-1/kI20 -1 /k當(dāng)有負(fù)載Zl時(shí)，11 '端口看進(jìn)去的

3、端口阻抗Z=U1/I1=kU2/I2,即為 Z=-kZ2.-kC。VNIC的端口特性可用 T參數(shù)描述為： U1-k 0U2 ,其中 -kT=I1I2當(dāng)有負(fù)載Zl時(shí)，11 '端口看進(jìn)去的端口阻抗Z=U1/I1=kU2/I2,即為 Z=-kZ2.即若22'接電阻R時(shí)，端口阻抗為-kR;接電感時(shí)，端口阻抗為-kL;接電容時(shí)，端口阻抗為-kC。即若22'接電阻R時(shí)，端口阻抗為-kR;接電感時(shí)，端口阻抗為-kL;接電容時(shí)，端口阻抗為總結(jié)：利用NIC電路可實(shí)現(xiàn)負(fù)電阻、負(fù)電容及負(fù)電感。實(shí)驗(yàn)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，

4、觀察 T矩陣中參數(shù)k的變化情況。實(shí)驗(yàn)線路參見圖13 1a。其中SCS端口接入 7V直流電源，元件 R1=1000 歐，R2=2000 歐，R3為 可調(diào)。則K理論值為0.5。U3A圖131a電流反相型阻抗變換器實(shí)驗(yàn)電路a （INIC）表 13 1aR3U/VIR=U/IK=-R/R3OCS端口接507.0000.028A入小電阻5007.0000.028A10007.0000.028A臨界狀況10017.000-0.014A-50010507.000-0.013A-538.41600.07.000-8.753mA-799.70.4998OCS端口接1800.07.000-7.780mA-899.

5、70.4998入大電阻2000.07.000-7.002mA-999.70.49982200.07.000-6.365mA-1099.70.49992400.07.000-5.835mA-1199.60.4998從表中數(shù)據(jù)我們不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)OCS端口接入的電阻值小于 1000歐時(shí)，電路并不滿足上面推導(dǎo)的T矩陣關(guān)系式，而接入大于1000歐的電阻時(shí)，電路趨于穩(wěn)定，而實(shí)驗(yàn)測得的參數(shù)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(guān)系式。即OCS端口只允許接高阻抗負(fù)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(shù)k的變化情況。實(shí)驗(yàn)線路參見圖13 1b。其中SCS

6、端口接入 7V直流電源，元件R1=1000 歐，R2=2000 歐，R3=3000歐,R4可調(diào)。則K理論值為0.5。圖131b 電流反相型阻抗變換器實(shí)驗(yàn)電路b (INIC)表 1 31bR4U/VIR=U/IK=-R/R3107.047-4.699mA-1499.70.4999SCS端口接入小電阻307.143-4.763mA-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-1499.76

7、68-4.2130.017A-247.8800-5.4430.016A1000-6.9970.014A1200-8.2960.013A從表中數(shù)據(jù)我們不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)SCS端口接入的電阻值大于 667歐時(shí)，電路并不滿足上面推導(dǎo)的T矩陣關(guān)系式，而接入小于667歐的電阻時(shí)，電路趨于穩(wěn)定，而實(shí)驗(yàn)測得的參數(shù) 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(guān)系式。即SCS端口只允許接低阻抗負(fù)載，即滿足短路穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)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(shù)k的變化情況。實(shí)驗(yàn)線路參見圖14 1a。其中OCS端口接入8V直

8、流電源，元件 R1=1歐，R2=0.5歐，R3為可調(diào)。則K 理論值為2。圖1 4 1a 電壓反相型阻抗變換器實(shí)驗(yàn)電路a (VNIC)表 1 41aR3U/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-3600.42.00

9、02經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，我發(fā)現(xiàn)當(dāng)OCS端口接入的電阻值小于1u歐時(shí)，電路才并不滿足上面推導(dǎo)的T矩陣關(guān)系式，而接入大于1u歐的電阻時(shí)，電路趨于穩(wěn)定，而實(shí)驗(yàn)測得的參數(shù) 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(guān)系式。對(duì)于這個(gè)電路，它對(duì)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(shù)k的變化情況。實(shí)驗(yàn)線路參見圖14 1b。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(diào)。則K理論值為2。圖1 4 1b 電壓反相型阻抗變換器實(shí)驗(yàn)電路b (VNIC)表 1 41bR4U/VIR

10、=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2630.014.056-2.316mA-6069.12636.014.060-2.315mA-6073.4接入大電阻2637.0-5.5635.149mA-1080.44000.0-8.5164.418mA-1927.6從表中數(shù)據(jù)我們不難發(fā)現(xiàn)當(dāng) S

11、CS端口接入的電阻值大于2637歐時(shí)，電路并不滿足上面推導(dǎo)的T矩陣關(guān)系式，而接入小于2637歐的電阻時(shí)，電路趨于穩(wěn)定，而實(shí)驗(yàn)測得的參數(shù)k=1.99898的誤差為0.5 %o,這說明該電路能很好的滿足T矩陣關(guān)系式。即 SCS端口只允許接低阻抗負(fù)載，即滿足短路穩(wěn)定。總結(jié)以上四組數(shù)據(jù)可知，用集成運(yùn)放組成的 NIC,為穩(wěn)定工作，必須保證運(yùn)放的負(fù)反饋強(qiáng)于正反饋。OCS正是只容許接高阻抗負(fù)載的端口，為開路穩(wěn)定端；SCS正是只容許接低阻抗負(fù)載的端口，為短路穩(wěn)定端。2、用運(yùn)放設(shè)計(jì)一個(gè)回轉(zhuǎn)器電路設(shè)計(jì)如圖2 1的回轉(zhuǎn)器圖2 1回轉(zhuǎn)器電路參數(shù)見圖示?；剞D(zhuǎn)器電壓電流關(guān)系式的推導(dǎo)過程如下:U，=U：U* =2。1Ud

12、=u，Ue =2也 ,2 U* UUc-Ud2U1-U2I D 二= =RR U Ud-UeU2UeI D 三 =R RI，U* U*二RUi _2Uiu _U* . U2 _（2U，_2m）Ui 一日Uiu U*11 =-R-I2 =Ic_la = R_ R=_RI2 =Rii =-gu2 2 =gui其中g(shù)=1/R.很顯然，此方程為回轉(zhuǎn)器（與圖2 1相比，回轉(zhuǎn)方向變?yōu)橄蜃罅说姆卜匠?故此電路為一回轉(zhuǎn)器。測量回轉(zhuǎn)參數(shù)g,電路如圖2 2。圖2 2回轉(zhuǎn)器參數(shù)測量電路Word資料元件參數(shù)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(diào)電阻。則理論值 g=1/

13、R8=0.001表2-2R8U1/VI1/mAU2/VI2/mAg1=I1/U2g2=I2/U1g'=(g1+g2)2g1002.7250.2750.2722.7250.0010.0010.0010.0012002.4980.5020.5002.4980.0010.0010.0013002.3060.6940.6922.3060.0010.0010.0014002.1420.8580.8562.1410.0010.0010.0015001.9991.0010.9991.9980.0010.0010.0016001.8741.1261.1241.8730.0010.0010.001700

14、1.7641.2361.2341.7630.0010.0010.0018001.6661.3341.3321.6650.0010.0010.001顯然，g實(shí)驗(yàn)值與理論值十分吻合。將電容回轉(zhuǎn)成一模擬純電感為了證明回轉(zhuǎn)器將純電容回轉(zhuǎn)成一純電感，可將其與一個(gè)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(shù)：電阻R1-R7全取1000歐,R9=2000歐，電源電壓8V,頻率可調(diào)，電容 C1和C2均取1uF.經(jīng)過該電路 C1回轉(zhuǎn)成一個(gè)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。Word資料IkOhmIkDhule-OOSOhm4IkOk

15、uuIk OhmlkO：uiL*3.745m 調(diào)節(jié)頻率 找諧振點(diǎn)REIkOhuLIkOhmVI2000 OhmB甘 230 DegczluF±C11UF圖2 3將電容回轉(zhuǎn)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(shí),I=4.002mA為了得到直觀的I變化趨勢，作圖2-3-1。100

16、150200250圖 2-3-1 I-f 圖從圖中我們可以讀出I取最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率為160Hz ,誤差為0.5%,這說明了設(shè)計(jì)的電路的確將電容回轉(zhuǎn)成了 一個(gè)純電感o四、總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)中我研究的側(cè)重點(diǎn)為電路中參數(shù)的選擇實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量及處理。在電路元件參數(shù)的選擇方面，需要我們對(duì)電路的原理及運(yùn)行方式和特性有熟練的掌握，否則無法選出能夠測得較準(zhǔn)數(shù)據(jù)電路元件。如在NIC電路之中，T矩陣參數(shù)的有幾種表達(dá)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(gè)參數(shù)即k即可，如此很是方便快捷。不僅如此，實(shí)驗(yàn)中電路里的電源也有一定的要求。一開始做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)我選擇的電源過大，測出的數(shù)據(jù)跳動(dòng)性很大，在選擇了小一些的電源之后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定了很多。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量及處理方面，主要的難點(diǎn)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。控制了電