电路理论课程教案-实验五 负阻抗变换器的研究

实验五负阻抗变换器的研究一、实验目的1了解负阻抗变换器的原理及其运放实现。2通过负阻器加深对负电阻阻抗特性的认识,掌握对含有负阻的电路的分析测量方法。二、实验原理负阻抗变换器NIC是一种二端口器件，如图51所示。图51通常，把端口11处的U1和I1称为输入电压和输入电流，而把端口22处的U2和I2称为输出电压和输出电流。U1、I1和U2、I2的指定参考方向如图51中所示。根据输入电压和电流与输出电压和电流的相互关系，负阻抗变换器可分为电流反向型CNIC和电压反向型VNIC两种，对于CNIC，有U1U2I1（）K2I式中K1为正的实常数，称为电流增益。由上式可见，输出电压与输入电压相同，但实际输出电流I2不仅大小与输入电流I1不同为I1的1/K1倍而且方向也相反。换言之，当输入电流的实际方向与它的参考方向一致时，输出电流的实际方向与它的参考方向相反即和I2的参考方向相同。对于VNIC，有U1U2I12式中K2是正的实常数，称为电压增益。由上式可见，输出电流I2与输入电流I1相同，但输出电压U2不仅大小与输入电压U1不同为U1的1/K2倍而且方向也相反。若在NIC的输出端口22接上负载ZL，则有U2I2ZL。对于CNIC，从输入端口11看入的阻抗为LINKIZ1211对于VNIC，从输入端口11看入的阻抗为LINZIUIIU2221若倒过来，把负载ZL接在输入端口11，则有U1I1ZL，从输出端口22看入，对于CNIC，有LINZKIUKIZ1112对于VNIC，有LINIII212122综上所述，NIC是这样一种二端口器件，它把接在一个端口的阻抗变换成另一端口的负阻抗。NIC可用受控源来实现，图52（A）和（B）分别给出了实现CNIC和VNIC的原理图。（A）B图52实用上通常采用运算放大器来实现NIC。本实验所用的CNIC即由线性集成运算放大器HA17741型构成，在一定的电压、电流范围内具有良好的线性度，其原理电路如图53所示。图53我们把选用的运算放大器作为理想运算放大器来处理，则根据理想运算放大器的以下性质1电压放大倍数A，即运算放大器的同相、反相两个输入端如果不是直接接在理想电压源（或受控电压源），则两个输入端的电压相等（虚短路）。2输入阻抗ZI,即电入两个输入端的电流为零。应有U2，I3Z1I4Z2，I1I3和I2I4，因此，得1UI1Z1I2Z2211IK式中，K1Z2/Z1为电流增益。输入端口11看入的阻抗为LINZKIUZ1211本实验中，取Z1R11K，Z2R2300，得0312RK当ZLRL时LINR31当时ZJCL1301LJCJKLIN其中，2当ZLJL时，1301CJLKIN其中，C2三、实验内容1测量负电阻的伏安特性，计算电流增益K1及等值负阻图541接通电源，检查15V电压，当电源接入正常时方可进行实验。2按图54接线。3调节电阻箱使负载电阻RL500。4CNIC零点失调电压测量。输入短路，用数字万用表测量R1上的电压UR1，记下UR1值，若过大则数据处理时要进行修正。5改变稳压源输出电压为正、负不同值时分别测量U1及UR1记入表1。6RL1K，重复上述实验，数据表格自行设计。由前面可知，流入运算放大器输入端的电流为零，故I1全部流过R1因此I1可由式算出。注意UR1的参考方向，当UR1的实际方向与参考方向相反时，测得的UR11I读数为负，则I1也为负值，即I1的实际方向与参考方向相反。表1RL500U1V321123UR1VI1UR1/R1MARU1/I1（）计算负电阻的平均值，负电阻的理论计算值NJRJA_1LLKR301_表2误差计算列表如下RLAR_ARR_100R50010007注意事项ACNIC的输入电压绝对值U13V，输入电流绝对值I13MA。B本实验也可采用正弦交流信号源。但应注意信号源内阻RS8，因CNIC的11端口为短路稳定端口，过高的信号源内阻会使CNIC不稳定。若RS超过8，则可在信号源输出端口并联一个电阻箱调节电阻箱的阻值使等值输出电阻小于8。应该指出，并联电阻将使信号源输出电压降低，当信号源内阻RS较大时，尤为严重，这一点要特别注意。2测定负内阻电压源的外特性1按图55接线。若稳压电源的内阻近似为零，则11端口的左边部分相当于电源电压为US内阻为RS的有源二端网络为的熔断丝电阻。根据CNIC的F1RFFUSE性质，22端口的左边电路也等效于一个有源二端网络，而且等效电源电压仍为US，等效内阻为负电阻。11121FSFSSK图55换言之，22端口的左边电路就是一个具有负内阻的电压源。按照图55所示的电压、电流参考方向，有U2U1USI1RSRF1而I1K1I2，得11FSSRK上式的等效电路如图56（A）所示。AB图56通常，规定电源支路的电流参考方向与电压参考方向相反因此取I2I2，则12111FSSFSSRIKURKU上式的等效电路如图56B所示。此时，负载RL上的电流参考方向就和电压参考方向一致了。2固定US1V，RS500。改变RL取0范围内不同值时分别测量U2及U记入表4。由公式，算出电流I2RF2为的熔丝电阻，并绘出负内阻电272FI2FSE压源的实测外特性曲线和理论计算的外特性曲线U2FI2。3注意事项，负内阻电压源可能不稳定，US变成负载被充电。解决办法之一0LR是迅速测量在时的U2及U。表4US1VRS500RL010050KU2VUV（MA272FRUI）3负阻振荡器在分析二阶电路时可知，若RLC串联电路的电阻R，则该电路的冲激响应为CL2衰减振荡。如果在电路中串联一个负电阻R_，则当RR_0时，电路的冲激响应为等幅振荡；当RR_0时，电路的冲激响应为增幅振荡。根据这一原理便可方便地构成负阻振荡器。1按图57接线。逐步增大RS，使电路总电阻为负值，借助于电路中的微小扰动便可建立振荡。由于负阻的作用振荡振幅逐渐增大，当振荡幅度达到所需值时，可减小RS使电路总电阻为零以维持等幅振荡。如不减小RS，则振荡振幅将一直增大至运算放大器输出达到非线性为止。2为了维持等幅振荡，必须严格使电路总电阻为零。即使如此，由于电路中总是存在某些扰动，等幅振荡也很难长久稳定。所以，在实用的负阻振荡器中，一般都设有幅度负反馈电路，使电路中的正电阻或负电阻随振荡振幅的增大而增大或减小。实验中可以用一个40W日光灯镇流器铁芯线圈替换电路中的电感L，利用铁芯线圈中等值损耗电阻由铁芯的磁滞损耗及涡流损耗所造成与线圈中振荡电流的非线性关系振荡电流幅度越大，等值损耗电阻越大来稳定振荡。当RS增加时，振荡振幅随之增加，但损耗电阻也将增加，振荡在新的幅度下达到平衡。若RS不变，由于扰动使振荡振幅增加时，损耗电阻增加使振荡振幅回到原来平衡点。图573实验中要求调节使电路发生等幅振荡，记下的值（精确到个位）。为了增加精确SRSR度，可以从不振荡到刚开始建立稳定的振荡波形记录一次，再从有振荡波形到无振S荡波形记录一次，然后求平均。同时测出振荡频率和输出的峰峰值。SS4阻抗变换在CNIC输出端口22上接电容C，则从输入端口11看入的等效阻抗为EGLEGLJCKJJZK111可见等效阻抗呈电感性，等效电感LEG为CEG22130式中为CNIC的电流增益。K1按图58接线。将函数发生器选定为正弦波输出，调节函数发生器输出电压，使U11V。改变函数发生器正弦输出频率F，当F取为200HZ900HZ范围内不同值时分别测量U1及UR1记入表5。应该指出，若信号源内阻RS超过8，可能产生高频振荡，可在信号源输出端并联一个电阻箱调节电阻箱的阻值使等值输出电阻小于8。图582用双踪示波器观察U1、I1的相位关系。从图58接线可知，实际观察的是U1及I1的波形和相位关系。表FHZ2003004005006007008009001VR1VI1UR1/R1MAIEGU1/R1MALZFHEG221CK5负电阻与正电阻的串并联连接负电阻与正电阻串并联时的等效电阻的计算公式与只含有正电阻时的计算公式相同。当电路为线性定常电路时，对于串联连接，等效电阻为REGNJMKR11_对于并联连接，等效电阻为REGNJMK11_其中，N、M分别为负电阻，正电阻的数目。图591按图59接线。从接线图可知，CNIC输出端口22所接的负载电阻RLR7RF2300,为的熔断丝电阻可用数字万用表测出。从输入端口F2RF2FUSE11看入的负电阻300，约为K左右。30121FLK13RF212调节稳压电源使输出电压约为1伏，将串联电阻由零逐步增加为不同值时，分别测串量电压、U1及UR1。注意当由零增加时，由于负电阻被正电阻逐渐相消，等I串效电阻，越来越小，输入电流I1将越来越大。为了使CNIC能正常工作，必须保证REGI1不超过3MA，必要时应随时降低稳压电源的输出电压。此外，CNIC的11端口为短路稳定端口，不宜过大，一般可使500。串R串3固定500，在11端口并联一个电阻箱，当为不同值时，分别测量串并并U1、U及UR1。注意此时电流为总输入电流I，应在电阻R串上测量电压U。由公式IU算出总电流I。R串串联连接R串UIVU1VUR1VI1UR1/R1MARU1/I1（）0100300500续/1IURIEGREG计算串REG并联连接R并UVU1VUR1V/MARI串/1UIR续/1IUR/1IREGRREG计算并并EG四、实验思考题1测量负电阻的伏安特性时，能否采用正弦交流信号来做，应该使用哪些仪器并画出接线图，2正电阻和负电阻都是二端元件，两者有何不同3戴维南定理是否适用于含负电阻的有源单口4从负阻抗变换角度看,22端口接正电容,从11端口看进去为负电容，如果22端口接正电感，11端口看进去为负电感。从示波器观察相位关系时发现负电容即为正电感，