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

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(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)A為無(wú)窮大；輸入電阻為無(wú)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(jiǎn)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(lái)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(shuō)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(guò)程1、用運(yùn)放設(shè)計(jì)一負(fù)阻抗變換器（NIC）電路電流反向型負(fù)阻抗變換器（INIC）（圖11）圖11 INIC電路INIC的端口特性可用T參數(shù)描述為： U1 1 0 U2 ，其中 1 0 = T= I1 0 -1/k I2 0 -1 /k 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。電壓反向型負(fù)阻抗變換器（VINC）（圖12）圖12 VNIC電路VNIC的端口特性可用T參數(shù)描述為： U1 -k 0 U2 ，其中 -k 0 = T= I1 0 1 I2 0 1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?？偨Y(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(kāi)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(jiàn)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(diào)。則K理論值為0.5。圖131a 電流反相型阻抗變換器實(shí)驗(yàn)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(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(mǎn)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(cè)得的參數(shù)k=0.4998的誤差為0.4，這說(shuō)明該電路能很好的滿(mǎn)足T矩陣關(guān)系式。即OCS端口只允許接高阻抗負(fù)載，即滿(mǎn)足開(kāi)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(jiàn)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(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(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(mǎn)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(cè)得的參數(shù)k=0.49986的誤差為0.28，這說(shuō)明該電路能很好的滿(mǎn)足T矩陣關(guān)系式。即SCS端口只允許接低阻抗負(fù)載，即滿(mǎn)足短路穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)電路VNIC的開(kāi)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(jiàn)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(diào)。則K理論值為2。圖141a 電壓反相型阻抗變換器實(shí)驗(yàn)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(jīng)過(guò)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(mǎn)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(cè)得的參數(shù)k=1.9996的誤差為0.2，這說(shuō)明該電路能很好的滿(mǎn)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(jiàn)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(diào)。則K理論值為2。圖141b 電壓反相型阻抗變換器實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)我們不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)SCS端口接入的電阻值大于2637歐時(shí)，電路并不滿(mǎn)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(cè)得的參數(shù)k=1.99898的誤差為0.5，這說(shuō)明該電路能很好的滿(mǎn)足T矩陣關(guān)系式。即SCS端口只允許接低阻抗負(fù)載，即滿(mǎn)足短路穩(wěn)定?？偨Y(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(kāi)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21的回轉(zhuǎn)器圖21回轉(zhuǎn)器電路參數(shù)見(jiàn)圖示?；剞D(zhuǎn)器電壓電流關(guān)系式的推導(dǎo)過(guò)程如下：其中g(shù)=1/R.很顯然，此方程為回轉(zhuǎn)器（與圖21相比，回轉(zhuǎn)方向變?yōu)橄蜃罅耍┑姆卜匠蹋蚀穗娐窞橐换剞D(zhuǎn)器。測(cè)量回轉(zhuǎn)參數(shù)g，電路如圖22。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/R8=0.001。圖22 回轉(zhuǎn)器參數(shù)測(cè)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(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(cè)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(guò)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。圖23 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(cè)得了f0=159.155Hz時(shí),I=4.002mA為了得到直觀的I變化趨勢(shì)，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(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率為160Hz，誤差為0.5，這說(shuō)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。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(cè)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(wú)法選出能夠測(cè)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(cè)量過(guò)程中我們只需測(cè)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(kāi)始做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)我選擇的電源過(guò)大，測(cè)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(cè)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。控制了電路中的變量之后，研究也變得方便了很多。而測(cè)量出SCS和OCS端口的臨界電阻也需要很大的耐心，不斷重復(fù)測(cè)量。在回轉(zhuǎn)電路中，如何證明電容回轉(zhuǎn)后