电工电子综合实验运算放大器电路应用（二）——旋转器设计.doc

9 运算放大器电路应用（二）旋转器设计 电工电子综合实验运算放大器电路应用（二）旋转器设计姓名：蒋跃学号：10042201292012.04.09运算放大器电路应用（二）旋转器设计 蒋跃 摘要运算放大器是一种电压放大倍数很高的放大器。它具有稳定性高、高增益、高输入电阻和低输出电阻的特性。旋转器是运算放大器的重要应用之一，它以运算放大器为基础，构成负阻抗变换器，然后通过T形电阻网络可实现将线性或非线性元件在其u-i平面内旋转一个角度，从而产生一个新的电路元件。而且还可以根据需要来设定元件参数，确定旋转角。本实验在Multisim7软件仿真下来实现旋转器的功能。关键字运算放大器 旋转器 负阻抗变换器 旋转角 Multisim7软件仿真引言在本实验中，用运算放大器设计一个旋转电路，要求旋转角=-15-85（顺时针），定标系数R=1k,并分别用电阻和非线性元件(二极管）作负载测量并计算旋转前后的伏安特性角度，察看是否旋转了设计的角度，并作旋转前后的伏安特性曲线图。正文实验原理旋转器电路原理简述如下：旋转器符号如图a所示，可以将线性或非线性元件在u-i平面旋转一个角度，产生新的电路元件。旋转器旋转前后如图b所示。 图a 旋转器符号 图b 旋转器旋转前后若将一个具有图b中A的u-i特性的非线性电阻元件接在图a的U2端口，则在图a的U1端口得到图b中B的u-i特性曲线。从图b可见，曲线B是曲线A反时针旋转了角。设曲线A上的任一点P的坐标为，离原点距离为r，则有 （1）点P反时针旋转了后到点，坐标为 (2)将（1）代入（2）中，得 （3） 其中（3）式中的中的无量纲，是电阻的量纲，因而要乘一个定标系数R。R的大小取决于u-i曲线中电压和电流的单位。同理中的无量纲，而是电导的量纲，因而要除一个定标系数R，则（3）式成为 （4）在图a中，定义，因此有T参数方程 （5）用T形电阻网络的旋转器（见图c）来实现，对应T参数的3个电阻是 （6）式（6）中，R为定标系数。 图c T形电阻网络的旋转器由于定义了旋转反时针为+角，对于旋转顺时针即为-角,故在顺时针旋转时，式（6）中R3为负，即R3是负电阻，图c就可实现旋转器的功能。根据以上原理，我们要实现一旋转角为-15-85（顺时针）的旋转器，对于不同的角度，电路中的参数应为R1=R2，R3应该有不同的值。但如今的实验室并没有负电阻的存在，因此我们需要设计出负电阻。负阻抗变换器是用一个运算放大器构成的电流反向型负阻抗变换器，其电路图如下图中的虚线部分所示。 负阻抗变换器运算放大器输出端电压U0=u1-i3R0=u2-i4R0，再根据理想运算放大器的虚短特性，可得up=un,即u1=u2；根据虚断特性，可得i1=i3,i2=i4；代入上式可得i1=i2。根据负载Z1上的端电压和电流的参考方向，有I2=-U2/Z1，因此从输入端U1看入的输入阻抗：Zin=U1/I1=U2/I2=-Z1。负电阻电路如下图所示改变V1值，测量负电阻的值，观察实验结果与理论值是否相符，V1依次取1V，2V,3V,4V,5V，6V,7V,8V,9VV1/V123456789I/mA0.868-1.734-2.600-3.466-4.332-5.198-6.064-6.930-7.796R3/k-1.152-1.153-1.154-1.154-1.154-1.154-1.154-1.154-1.154误差E=0.13%，由于E很小所以负电阻基本与理论值相符。因此，负电阻是可靠的。研究负载的伏安特性曲线1. 用电阻作为负载 使用1k的电阻作为负载，按图连接线路，改变电源电压，读取电流表和电压表读数，测量并计算旋转前后的伏安特性角度，察看是否旋转了设计的角度，并作旋转前后的伏安特性曲线图。设旋转角度为-60时,R1=R2=577，R3=R4=R6=1k,R5=1.155k得到的结果如下图所示U1/VI1/mAU2/VI2/mA旋转后角度/旋转前角度/旋转角度/1-0.270-0.733-0.733-15.11045.000-60.1102-0.5371.4651.465-15.02945.000-60.0293-0.8052.1972.197-15.02145.000-60.0214-1.0722.9292.929-15.00345.000-60.0035-1.3403.6613.661-15.00345.000-60.0036-1.6074.3934.393-14.99445.000-59.9947-1.8745.1255.125-14.98745.000-59.9878-2.1425.8575.857-14.98945.000-59.9899-2.4096.5896.589-14.98545.000-59.985 电阻旋转前后伏安特性曲线图分析：（1） 由实验数据可知，R1，R2，R5取的是近似值会对实验结果产生一定的影响；（2）线性电阻旋转前的伏安特性曲线图位于坐标系的第一象限，旋转后位于第四象限。实验得出的数据与理论值基本一致，-60，误差，满足实验要求。说明该旋转器对于线性元件例如电阻的旋转效果比较好。2. 用二极管作为负载使用二极管作为负载，按图连接线路，改变电源电压，读取电压表和电流表读数测量并计算旋转前后的伏安特性角度，察看是否旋转了设计的角度，并作旋转前后的伏安特性曲线图。得到的结果如下图所示U1/VI1/mAU2/VI2/mA旋转后角度/旋转前角度/旋转角度/1-0.1730.6490.781-9.81550.274-60.08920.3790.6721.92310.73070.738-60.00830.9430.6843.07117.45077.444-59.99441.5110.6924.22220.69480.692-59.99852.0820.6995.37322.60782.588-59.98162.6550.7046.52523.86983.842-59.97373.2280.7087.67824.75684.732-59.97683.8010.7118.83125.41485.397-59.98394.3760.7159.98425.93085.904-59.974 二极管旋转前后伏安特性曲线图分析：与电阻负载类似，使用二极管作为负载设计的旋转器电路也较好地实现了二端口间伏安特性曲线角度旋转，实验得出的数据与理论值基本一致，-60，误差，满足实验要求。说明该旋转器对于非线性元件例如二极管的旋转效果比较好。结论根据实验数据可以得出，本实验所设计的旋转器满足实验要求，对电阻和非线性元件都能较好实现角度旋转，即旋转角=-60，定标系数R=1k。在设计负电阻内部三个电阻参数时，只要满足-R3R1/R2=R(负电阻的阻值)这一条件，通过Multisim7软件仿真，R1=R2时，负电阻的值就近似等于-R3。在负阻抗变换器的验证数据中，我们发现，在一定的电压范围内，电压越高，测量值越接近理论值，正是因为这个缘故，在接下来验证线性电阻以及非线性元件的旋转特性时，在电压一定的范围内，电压越大，所得到的旋转角越接近理论值-60。在验证二极管的旋转特性实验中，我们发现在电压U1大于零的情况下，呈现出的伏安特性曲线还是近似为直线，且右端口的伏安特性曲线近似为一条平行于纵轴的直线。从中可以得出结论：当二极管的电压增大到一定程度后，二极管的端电压不随电流的增大而增大，所以在二极管正向导通的情况下，相当于被短路，可以近似的看作一条导线。所以在本实验中，二极管的选取对实验结果有很大的影响，当选择一个二极管做实验之前，应该弄清楚二极管的工作范围，选取适当的电压值，才能得到想要的结果。本实验中，以运算放大器为基础设计的旋转器电路，对于低电压比较吻合，都能实现伏安特性曲线角度的旋转。但在电压升高时，旋转角的变化会变得不稳定