用Multisim实现负电阻的仿真和分析

第2 7 卷第2 期 2 0 0 8 年2 月 实验室研究与探索 R E S E A R C HA N DE X P L O R A T l 0 NI NL A B O R A T O R Y V 0 1 2 7N o 2 F e b 2 0 0 8 用M u h i s i m 实现负电阻的仿真和分析 丁晨华 田社平 上海交通大学电子信息学院 上海2 0 0 2 4 0 摘要 负电阻不是实际存在的电路器件 但它可以通过其它的电路元件来实现 通过给出负电阻的实 现方法 给出了运算放大器工作于线性区的条件 讨论了用M u h i s i m 实现负电阻的仿真和分析的方法 得出负电阻和负电阻的串并联连接以及负电阻和正电阻的串并联连接电路中 负电阻的处理方法与正 电阻一致的结论 用M u h i s i m 实现负电阻的仿真和分析 作为一个电路的虚拟或仿真实验 可以为电路 实验教学提供帮助 关键词 负电阻 串并联 电路分析 M u h i s i m 中图分类号 T M l 3文献标识码 A文章编号 1 0 0 6 7 1 6 7 2 0 0 8 0 2 0 0 6 3 0 5 S i m u l a t i o na n dA n a l y s i so fN e g a t i v eR e s i s t o r sb yM u l t i s i m D I N GC h e n h u a T I A NS h e p i n g S c h o o lo fE l e c t r i c a la n dE l e c t r o n i cE n g S h a n g h a iJ i a o t o n gU n i v S h a n g h a i2 0 0 2 4 0 C h i n a A b s t r a c t An e g a t i v er e s i s t a n c ei sn o tac o m p o n e n to ft h er e a lc i r c u i t b u ti tc a nb er e a l i z e db yu s i n go t h e rc i r c u i tc o r n p o n e n t s I nt h i sp a p e r t h er e a l i z a t i o no fn e g a t i v er e s i s t a n c ew a sd i s c u s s e da n dM u h i s i ms o f t w a r ew a su s e dt os i m u l a t e a n da n a l y z et h ec i r c u i t sw i t hn e g a t i v er e s i s t a n c e I nt h ee q u i v a l e n tt r a n s f o r m a t i o no ft h ec i r c u i t i tc a nj u s tt r e a tt h en e g a t i v er e s i s t a n c ea st h ep o s i t i v er e s i s t a n c ea n du s et h eO h mt h e o r y T h er e s u l to ft h i sa n a l y s i scanb et h er e f e r e n c ef o r t e a c h i n gt h ec i r c u i tc o u r s e I ti sh e l p f u lt od e s i g nv i r t u a le x p e r i m e n to fn e g a t i v er e s i s t a n c e K e yw o r d s n e g a t i v er e s i s t a n c e s e r i e sa n dp a r a l l e lc o n n e c t i o n c i r c u i ta n a l y s i s M u l t i s i m C L Cn u m b e r T M l 3D o c u m e n tc o d e AA r t i c l eI D 1 0 0 6 7 1 6 7 2 0 0 8 0 2 0 0 6 3 0 5 1 引言 负电阻是一种较为特殊的电阻 尽管它也满足欧 姆定律 但不同于正电阻 负电阻是一种有源元件 在 工程中不存在像正电阻那样的单独的负电阻元件 但 负电阻可以通过其它的电路元件来实现 在目前的电 路实验教学中往往设置有关负电阻的实验 通过实际 的电路元 器件来搭建负电阻 并测量其特性 以增强 学生对这一电路元件的理解 但这类实验存在内容单 调 要做前期准备 购买元器件 设计实验装置 数据 收稿日期 2 0 0 7 0 6 1 5 基金项目 上海交通大学P R P 项目 1 0 3 0 1 2 0 0 1 资助 作者简介 丁晨华 1 9 8 7 一 男 上海人 研究方向为电路设计自动 化 E m a i l d i n g c h e n h u a y a h o o c o r n c n 通信作者 田社平 1 9 6 7 一 男 湖北仙桃人 博士 副教授 主要从 事电路理论和动态检测技术的教学和科研工作 E m a i l s p t i a n s j t u e d U c n 记录和处理不方便等缺点 随着E D A 技术的仿真应用 在电路实验的教学中 越来越多地引入E D A 软件 目前国内许多高校将电 路仿真软件M u h i s i m 应用于电路课程教学和电路实验 教学之中 提高了教学效果 由于M u l t i s i m 软件功 能齐全 几乎涵盖了电路分析的所有领域 因此如何发 挥它的作用来为教学服务是值得加以关注的 本文尝 试以M u h i s i m 实现负电阻的仿真和分析 作为一个电 路的虚拟或仿真的实验 可以满足电路实验教学的需 要 2 3 目前M u h i s i m 软件的最新版本为V I O 而且该软 件已经归入美国国家仪器公司 N I 本文的工作是基 于M u h i s i mv 9 来完成的 2 用M u l t i s i m 仿真负电阻 2 1 负电阻的实现电路 在电路仿真之前 本文先对仿真电路进行了理论 万方数据 6 4 实验室研究与探索第2 7 卷 分析 不仅给出了运算放大器线性工作区的u I 特性 分析 同时也对非线性工作区进行了讨论 通过正电 阻和运算放大器的搭建 可以构成负电阻电路 图1 a 所示是一种常见的实现负电阻的电路 由于此电 路在实际运用中采用的是恒压源控制 所以又称为压 控型实现电路 引 a 实现电路 负饱和 R 3 丽U R 3 i 瓦酉瓯a tV 正饱和 b 电J R 一电流关系衄线 图1负电阻的压控型实现电路 当运算放大器工作在线性区时 由 虚短 虚 断 特性及分压关系有h 6 1 一u 熹 江半 2 l 一 t 二 由式 1 及式 2 可得从输入端看进去的等效电阻为 尺卵 u i 一丽R 3 R 3 式 3 成立的条件是 运算放大器工作于线性区 5 当运算放大器工作于负饱和区时 有U 一U 此时有 R i u 配 一元 笔i u 6 综合式 3 5 6 可得到电压一电流关系曲线如图 1 b 所示 同样 图2 a 所示的实现电路 称为流控型实现 电路 只是运算放大器的正负端口对调了一下 与上 面分析类似 可知图2 a 所示电路的电压一电流关系 为 负 a 实现电路 包和 Lf 磁 百葛 R 3 O R 2 R 3 t 一 正饱和 图2 负电阻的流控型实现电路 u R i U t i 一面 i 了两u t 一铲R 3 i 1 言0 1 2 3 图1 2 负电阻与正电阻串联的伏安特性曲线 从伏安特性曲线不难看出 在运算放大器线性工 作区内 约为一2 5 2 5V 的范围内 的等效电阻R 一0 5k f I 通过上述分析可知 负电阻与正电阻的串联仍然 满足关系式R R 尺2 4 2 负电阻与正电阻并联 图1 9 所示为负电阻与正电阻并联的电路原理图 一 其中运算放大器选取O P A M P 一5 T V I R T U A L 虚 拟器件 采用默认设定值 V 一K 为直流电流源 尺 尺 R 则分别取1k Q R 取0 5k Q 通过电路拓扑 下转第1 3 9 页 万方数据 第2 期丁璐斌 等 物流工程实验室优化建设研究1 3 9 业 所以物流专业在司以预见的未来将长期开设下 践 JJ 实验技术与管理 2 0 0 1 1 8 4 1 2 8 1 3 0 去 所以物流实验室的建设是长远的规划 1 引 4 金正一 建设开放性实验室的思考与实践 J 实验室研究与探 针对高校实验室建设中硬件设备普遍配置齐全但 5 黄卫 2 0 华0 7 方 2 6 康 1 玲 1 基2 4 芸态王和v B 的工业远程监控系统 J 是硬件之间独立性强的特点 我校物流工程实验室在 冶金自动化 2 0 0 5 2 6 0 6 2 建设过程中对硬件整合做了一定研究 并取得了显著 62 张传伟 王昀睿 V B 下P L C 与P C 串口通信的实现 J 控制与 成果 同时 物流技术的快速发展给物流工程专业人 检测 2 0 0 5 1 2 6 2 6 6 才提出更高的要求 因此物流工程实验室的建设也应 7 A l b e r tWL CHK u D e V e l p i n g8P C b a s e da u t o m a t e dm o n i t o r i n g 该与时俱进 我们将继续深入研究硬件的整合 使管 8 m 19 1 8 怕 f o r e e t r i cp o w e rg y 咖 8 J IE 1 8 啊 P 8 理平台更加完善 不断完善师生合作的模式 并推广 8 茹小俊滁春霞 v B 和v c 混合编程技术应用实例 J 计算机 到教学的其他领域 向实践教学迈出坚实的一步 控制 监测与管理 2 0 0 6 6 7 9 8 1 91T h ee 8 u D D l vc h a i no o r t a l ac o t o b u s i n e s sn l o d e l I T r a n S D o r t a t i o n 参考文献 R e f e r e n c e s R e e i 二E I 二g i s t i c sa n dT r a n 8 p o n a t i o n 乏 乏 2 品3 3 J 陈子侠 傅培华 物流实验室建设要融合新技术 J 中国物流 6 8 2 与采购 2 0 0 5 1 4 6 4 6 6 1 0 刘津平 邵清东 实用型物流实验室建设分析 J 物流技术 2 姚长佳 关于高职院校物流实验室建设的思考 J 职业教育研 2 0 0 7 3 9 6 9 9 究 2 0 0 6 8 2 8 3 0 1 1 李毓陵 徐天明 俞雯 高校实验室建设模式探讨 J 实验室 3 李桂桃 一般工科院校机械类专业实验室建设模式的探索与实 研究与探索 2 0 0 2 2 1 1 2 1 1 4 1 1 6 上接第6 6 页 计算 图示并联接法 相当于将两个阻值分别为一1 k Q 与0 5k Q 的电阻并联 连接后的总阻值为1k Q 注意 电源的正负端不可倒置 这与负电阻的正负极性 有关 1 2 V 图1 3 负电阻与正电阻并联的M u h i s i m 仿真电路 一 图1 4 负电阻与正电阻并联M u h i s i m 仿真 电路 一 的伏安特性曲线 从伏安特性曲线不难看出 在运算放大器线性工 作区内 约为一5 5V 的范围内 的等效电阻R 一 1k Q 但由于i 的测量值与实际值差一个负号 所以实 际等效电阻为1k 1 通过上述分析可知 负电阻与正电阻的并联仍然 满足1 R I R 1 R 的关系式 5 结语 通过上述理论推导及仿真结果 可以得出如下结 论 通过正电阻和运算放大器的合理搭建 可以实现负 电阻的功能 并在负电阻和负电阻的串并联及负电阻 和正电阻的串并联的组合电路中 正电阻与正电阻的 串并联公式仍然适用 同时注意到 由于负电阻可有 压控和流控两种方式 增加了负电阻搭建在实际电路 运用中的灵活性 本文讨论的采用M u l t i s i m 软件来实 现负电阻的仿真与分析完全可以应用于负电阻的实验 教学之中 参考文献 R e f e r e n c e s 李兴山 E D A 技术在电工电子教学中的应用 J 中国现代教育 装备 2 0 0 7 1 6 4 6 6 李海雯 M u t i s i m 仿真软件在电子电路设计中的应用 J 科技 信息学术版 2 0 0 6 7 S 4 6 路平 电子仿真软件M u h i S I M 的功能与特点 J 无线电 2 0 0