電工電子綜合實驗結課論文-運算放大器電路應用-旋轉器設計

1、PAGE PAGE 12電工電子綜合實驗結課論文學 生：- 運算放大器電路應用 旋轉器設計摘要：旋轉器實際是一種使旋轉前后的伏安特性曲線旋轉一定角度的電路，本實驗利用運算放大器構造T型電阻網(wǎng)絡來實現(xiàn)旋轉器網(wǎng)絡，主要論述如何設計一個旋轉角=-30（順時針），定標系數(shù)R=1k的旋轉器電路；分別用電阻和非線性元件（二極管）作負載，測量并計算旋轉前后的伏安特性角度，驗證所設計的旋轉器的旋轉角度；作者應用Multisim 7軟件進行仿真模擬，并運用Matlab、 Excel等軟件進行數(shù)據(jù)處理，得出擬合曲線。關鍵詞：旋轉器設計 仿真模擬 擬合曲線 Multisim 7、Matlab軟件引言：運算放大器是具

2、有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網(wǎng)絡共同組成某種功能模塊。運算放大器是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導體芯片當中。隨著半導體技術的發(fā)展，如今絕大部分的運放是以單片的形式存在?，F(xiàn)今運放的種類繁多，廣泛應用于幾乎所有的行業(yè)當中。旋轉器作為運算放大器的一種應用，其實質在于利用運算放大器構造T型電阻網(wǎng)絡來實現(xiàn)旋轉器網(wǎng)絡。本文將圍繞旋轉器的設計及相關軟件的仿真模擬展開。實驗材料與設備裝置1.1實驗器材：運算放大器、電阻、電壓表、電流表，二極管1.2實驗原理：1.2.1負電阻實驗原理實現(xiàn)旋轉器的順時針旋轉，需要用到負電阻，所以要先利用運算放大器及一

3、些電阻元件設計一個負阻抗變換器。現(xiàn)在負阻抗的應用也相當廣泛，對此加以利用的回轉器可以實現(xiàn)電感電容之間的轉換，這大大地滿足了商業(yè)需求。 運算放大器構成的負電阻變換器的原理如圖1所示。 圖1 負電阻變換器原理圖在圖1所示的負電阻變換器原理中，由運算放大器的虛短特性知A、C兩端的節(jié)點電壓相等，由歐姆定律知。由運算放大器虛斷特性，知i QUOTE ， QUOTE 。再由運算放大器虛短特性，沿節(jié)點EDC構成的回路，運用KVL，易知 ，故?？梢?，沿AB兩端往右看，輸入電阻為 ，該運算放大器構成的電路實現(xiàn)的負電阻。1.2.2 旋轉器設計原理：旋轉器符號如圖2所示，可以將線性或非線性元件在 ui平面旋轉一個角

4、度，產(chǎn)生新的電路元件。 圖2 旋轉器符號 圖3 旋轉器“旋轉”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反時針旋轉了角。設曲線上任一點P 坐標（u,i）,離原點距離為r,則有 （a） （b）點P反時針旋轉了角后到P點，坐標（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 無量綱；sin是電阻的量綱，因而要乘一個定標系數(shù)R。定標系數(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 無量綱，sin是電導的量綱，要除一個定標系數(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)絡的旋轉器來實現(xiàn)，對應T參數(shù)的3個電阻是因此有式中，R為定標系數(shù)。由于定義了旋轉反時針為+角，對于旋轉順時針，式中R3為負，即R3是負電阻，由上實現(xiàn)的負電阻利用進來就可實現(xiàn)順時針旋轉功能。2、實驗過程： 根據(jù)旋轉器原理，設計一個順時針旋轉旋轉30度的旋轉器。取定標系數(shù)為R=1000。由， R3=-2000。2.1根據(jù)負電阻原理，設計負電阻：a、負電阻電路圖如圖4所示： 圖4 負電阻電路圖b、通過Multisim 7軟件進行仿真模擬，驗證負電阻

6、，如圖5所示：圖5 負電阻仿真模擬圖由R=U/I=10V/-5.215mA=-1918，符合理論值，可以用于實驗。2.2 利用上設計好的負電阻，設計旋轉器電路由，R1=R2=267.95設計電路如圖6所示：圖6 旋轉器電路圖2.3驗證旋轉器的旋轉特性2.3.1利用線性元件即電阻去驗證旋轉特性電路設計如圖7：圖7 電阻驗證旋轉特性測量結果如表1：U1，I1為旋轉后對應的電壓與電流；U2，I2為不旋轉時的并與U1和I1相對應的電壓與電流。表1 電阻伏安特性曲線旋轉數(shù)據(jù)其中，旋轉角的平均值：=-29.7232；誤差E=29.7232-3030100=0.93。利用MATLAB軟件進行數(shù)據(jù)處理，結果如

7、圖8所示：圖8 電阻旋轉示意圖2.3.2用非線性元件即二極管來驗證其旋轉特性電路設計如圖9所示：圖9二極管驗證旋轉特性測量結果如表2:U1，I1為旋轉后對應的電壓與電流U2，I2為不旋轉時的并與U1和I1相對應的電壓與電流表2二極管伏安特性曲線旋轉數(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，旋轉角的平均值：=-29.9045誤差E=29.9045-3030100=0.03利用MATLAB軟件進行數(shù)據(jù)處理，結果如圖10所示： 圖10 二極管旋轉示意圖圖11二極管旋轉擬合示意圖結果與討論本實驗利用運算放大器構造T型電阻網(wǎng)絡，實現(xiàn)了旋轉器網(wǎng)絡，經(jīng)驗證，實驗結果符合理論數(shù)值。在仿真模擬時，發(fā)現(xiàn)在研究線性元件的旋轉特性時，測量負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特性時則使用電流表外接法可減小誤差。實驗過程中，在測量二極管伏安特性曲線旋轉時，當電源取0.5V時,軟件無法仿真出結果,經(jīng)過修改，將電流表與二極管交換電路中的位置時，才可以仿真出結果，具體原因,有待進一步研究。 5、結論（1）本實驗是用Multisim 7軟件做虛擬完成的，采用的都是理想元件。（2）由運算放大器的轉移特性,電路所加電壓不能超過其飽和電壓(10V左右),超過飽和電壓，