南理工Multisim实验报告旋转器设计论文.doc

在此处键入南京理工大学Multisim仿真实验论文姓名： 学号： 学院： 专业： 题目： 旋转器设计 运算放大器电路应用（二） 旋转器设计摘要：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，通过特定的电路连接方式，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。而且可以根据需要设定元件参数，确定旋转角。本文介绍如何使用运算放大器构成负阻抗变换器，并利用负阻抗变换器构成一个旋转角，定标系数R=1k的旋转器，使用Multisim 实现对实验的仿真。关键词：电路设计 运算放大器 负阻抗变换器 旋转器 Multism11电路仿真引言：旋转器可以将线性或非线性元件在u-i平面上旋转一个角度，产生新的电路元件。本实验将通过运算放大器，电路等知识，设计一个旋转角为=-15度-85度，顺时针旋转，定标系数R=1K的旋转器电路。并采用Multisisim11软件仿真技术，分别用线性元件（电阻）和非线性元件（二极管）做负载，测量并计算旋转前后的伏安特性“角度”，查看是否“旋转”了设计的角度。正文：I旋转器电路原理：旋转器符号如图1所示，可以将线性或者非线性元件在ui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2所示。I2I1U2U1图1 旋转器符号BAPrO图2 旋转器“旋转”前后的u-i曲线设曲线U1端上的任一点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（4）式中定义，因此有T参数方程： （5）用T形网络的旋转器来实现（如图3），对应T参数的3个电阻是R3R2R1U1U2 (6) 图3 T形电阻网络旋转器因此有 （7）其中R为定标系数。 由于定义了旋转逆时针为+角，对于旋转顺时针即为-角，故在顺时针旋转时，式7中的R3为负电阻，图3就可以实现旋转器的功能。因此，设计时主要的就是要将电阻通过转换器转变为负电阻。设计旋转器也就转化成设计负电阻转换器，参考电路P99，一个运算放大器、三个电阻和一个电压源即可设计负电阻，负电阻转换器的电路图如下：运算放大器输出端电压 根据理想运算放大器，同相输入端“+”和反相输入端“-”之间的虚短特性，可得 即; 根据“虚断”特性，可得，。带入上式可得。 根据负载上的端电压和电流的参考方向，有,因此从输入端看入的输入阻抗：。 加入负阻抗转换器之后可以将R3转换成-R3，以满足R3为负阻抗的要求，实现整体电路的设计。II实验内容：取旋转角为-70度，R=1k。代入式进行计算得R1=R2=700,R3=-1064。由负电阻电路及原理，可设计出R4=R5=50,R6=1064的电路。综上所述，可作出旋转器电路图，在Multisim11中连接图如下图所示：III.加负载进行测试及仿真分析:1. 取RL=1k的电阻作为负载，按0V到8V区间改变电源电压，读取电压表电流表读数，绘制伏安特性曲线图，测算旋转前后的伏安特性的旋转角。在Multisim11中仿真电路如下图所示： 其中，U1,I1分别为旋转前的电压电容，U2,I2分别为旋转后的电压电容。得到的数据如下图所示。=1-2-70，误差0.1%。符合预期结果。 下图为由上表所绘制的线性负载伏安特性曲线图。2.取RL=1k的电阻作为负载，按0V到8V区间改变电源电压，读取电压表电流表读数，绘制伏安特性曲线图，测算旋转前后的伏安特性的旋转角。在Multisim11中仿真电路如下图所示：依照对线性负载测试处理方法，同样，可以得到如下的数据表：=1-2-70，误差0.1%。符合预期结果。下图为由上表所绘制的线性负载伏安特性曲线图。结论：根据实验数据可以得出，本实验所设计的旋转器满足旋转角=70，定标系数R=1k的实验要求。在设计旋转器时，应从表达式入手，着眼旋转角和定标系数的要求，由结构到参数逐步分析设计电路。其中对于负电阻电路的设计为本次实验的难点，对于实验的成败起重要作用。在改变输入电压，测量负载伏安特性曲线时，若参数设置不当，则会导致在输入电压较大时，数据结果产生偏差，导致旋转角产生突变而偏离理论值。而在取值合适的情况下，不难发现，电压越大，测算值与理论值的误差越小，旋转角越接近于-70，通过查阅相关资料并实验测量发现，负阻抗变换器构成的负电阻也是呈电压越大电阻越接近的关系，正是这个原因，使得旋转器有了上述特性。在进行非线性负载测试时，应当考虑二极管的工作范围，选取合适的二极管，并在一定输入电压的范围内进行实验，才能得到预期结果。从曲线中不难发现，在电压较小时，负载端电流变化不大，在电压增大到一定程度时，伏安特性为一条直线，可知二极管的开启电压约为0.7V，这与模拟电子电路中二极管的特性知识相吻合。致谢：通过本次实验中，我巩固了电路，模拟电子电路等课程的相关知识，掌握了Multisim等软件的初步使用方法，对旋转器的原理与构造有了更深刻的理解，提高了动手实验能力，成果的实现与李竹、硕力更等老师的悉心指导与帮助密不可分。在此对帮助过我的