542负阻抗变换器及其应用.

1、负阻抗变换器及其应用一、实验目的1了解负阻抗变换器的组成原理。2. 学习测试负阻变换器的特性。3. 进一步研究二阶 RLC电路的动态响应，扩展负阻抗变换器的应用。二、原理说明1 .用运算放大器组成电流倒置型负阻抗变换器的原理。图6-4-2-1 (a)虚线框所示的电路是一个用运算放大器组成的电流倒置型负阻抗变换器, 6-4-2-1 (b)、(C)为其等效电路及电路符号。由于运放“ + ”端和“一”端之间为虚短路，且运放的输出阻抗为无穷大，故有：l&b L&i即 L&i I&2而运放的输出电压Uo为：Uo L&1&3R11&2&4R2得：&3R1I&4R2又因：&3，I&2&4得：&R1&2R2根

2、据图6-4-2-1所示的I &2l&2与及的参考方向可知：&2 zl因此电路的输入阻抗:L&IL&2Zi n -&空&2R1R1 ZLKZlR2R1k 称为电流增益R2oH负阻抗变换器的电压电流及阻抗关系如下:uZi厂U1L&21&1,&2Uo+卜I3i|4R1R21|2Up U nKI&, ZinKZlU1/(K+1) .1U2ZlU2(b)I1INICU2(C)图6-4-2-1电流倒置型负阻抗变换器可见，这个电路的输入阻抗的负值，也就是说，当负载端接入任意一个无源阻抗时，在激励端就得到一个负的阻抗元件，简称负阻元件。在本装置中令 R1 R2 R，则K 1 , ZinZl6-4-2-2 (a

3、)所示(1)若ZL为纯电阻R，则ZinR称为负电阻，如图Ui-ii-RJ(a)(b)(c)图6-4-2-2纯负电阻电路纯负电阻伏安特性是一条通过坐标原点且处于2、4象限的直线，如图6-4-2-2 (b)所示，当输入电压u1为正弦信号时，输入电流&y与电压u1相位相反，如图6-4-2-2 (C)所示。即：ZL1j C则：ZinZL即：Zlj L则：ZinZL(2)若ZL为纯电容,(3)若Zl为纯电感,j L，(这里L1,(这里CL、C元件Z作串、并联时，其等值阻抗2. 负阻抗变换元件(-Z)与普通的无源 的计算方法与无源元件的串、并联计算公式相同，即:Z并Z Z3. 应用负阻抗变换器，可以构成一

4、个具有负内阻的电压源，其电路如图6-4-2-3(a)所示。U2端为等效负内阻电压源的输出端。由于运放的“ + ”、“-”端之间为虚短路，即1& 1&2由图示的&和&的参考方向及电路参数，可知：&故输出电压：1&2 L& L&S &R11&Sl&R可见，该电压源的内阻Rs等于(R,);它的输出端电压随输出电流的增加而增加,6-4-22(b)、( C)所示。具有负电阻电压源的等效电路伏安特性曲线如图4. 负阻抗变换器能够起到逆变阻抗的作用，即可实现容性阻抗和感性阻抗的互换。由R与负阻元件(R JC)相并联的结果，即:J CZin1(R )RJ C1(R )RJ CR J CR2R2旦J C1Tc1

5、1 R1+ i-j_IRsUp U nRl Us(-R 1)U25-(b)RC元件来模拟电感器的电路如图6-4-2-4所示，电路输入端的等效阻抗Zin可视为电阻元件Us|2(C)图6-4-2-3 具有负内阻的电压源对输入端而言，电路等效为一个线性有损耗电感器，等值电感L=RC。同样，若将图中 的电容器换成电感器 L,电路就等效为一个线性有损耗电容器，等值电容C R5. 研究二阶动态电路(RLC串联电路)的方波激励时，响应类型只能观察到过阻尼，临界和欠阻尼三种形式。若采用如图6-4-2-5 (a)所示的具有负内阻的方波电源作为激励源，由于电源负内阻(则响应类型可出现振荡情况，6-4-2-5Rs

6、)可以和电感器的电阻 5相抵消(等效电路如图 6-4-2-5 ( b)所示)，RLC串联总电阻为零的无阻尼等幅振荡和总电阻小于零的负阻尼发散型(C)、(d)所示。图6-4-2-4 RC元件模拟电感器的电路USL(a)图6-4-2-5具有负内阻的方波电源作为激励源三、实验设备及器件序号名称型号与规格数量备注1可调直流稳压电源030V12函数信号发生器13直流数字电压表14直流数字毫安表15双踪示波器16交流豪伏表17元件箱18可调电阻箱099999.9 Q19负阻抗变换器实验线路板1四、实验内容1.用直流电压表、毫安表测量负电阻阻值(1)实验线路如图6-4-2-6 , Ui为直流稳压电源，R为可

7、调电阻箱。将 Ui调至1.5V。UiIi宀,mAINICRl#Ri图6-4-2-6测量负电阻阻值的实验线路(2)先断开开关K (即不接R,)的阻值，改变可调电阻 R的阻值，测出相应的U1、I1值，计算负电阻值，记录之。Ui 1.5VRi表6-4-2-i Ri时的负电阻阻值Rl()200300400500600700800900Ui(V)Ii(mA)等效电阻理论值R()测量值(3)取Rl=200 ，再接上Ri阻值，并改变的 Ri值，测出相应的Ui、Ii值，计算负电阻阻值，记录之。Ui =i. 5VRl 200表6-4-2-2Rl= 200时的负电阻阻值Ri()oo5KiK700500300i50

8、i20Ui(V)Ii(mA)等效电阻理论值R()计算值2.用示波器观察正弦激励下负电阻元件上的ui、ii波形参照图6-4-2-7, Ui接激励源的输出，调定在有效为1V，频率为 1KHZ。取 R1 1K 。双踪示波器的公共端接在 0点，探头Y接a点（采集电压Ui信号），探头丫2接b点（采集电流i1信号，即取 R上的电压，它与电流i1成正比）。观察u1、h波形间相位关系，描绘之。O i1R1Y2+ c1 L1K bINICU1a-4Y1图6-4-2-7正弦激励下的负电阻元件5Ki1R1IMIQ1KINICI1K2KR1、0.1uF*RcCRL U11KRlm00jL0图6-4-2-8 用RC模拟

9、电感器和用 RL模拟有损耗电容器的特性3.验证用RC模拟电感器和用 RL模拟有损耗电容器的特性。参照图6-4-2-8 , u1接正弦激励源，取 Uj 1V。改变电源频率和 C、L的数值，重复观察输入端u1、h间相位关系，描绘之。4. 用伏安法测定具有负电阻电压源的伏安特性。参照图6-4-2-9，电源Us接直流稳压电源的输出，电压调至1.5V，负载Rl从8减至200 ，自拟数据表格记录，并作伏安特性曲线。5. 研究、观察RLC串联电路的方波激励。参照图6-4-2-10。Us接方波激励源，取U 0 5V、f=1KHZ； Rs 取值 025K、rL 取值5K左右。i1R1+ =iCZ300 QUSINICI2+INICrL LRlU2510C4UCpF图6-4-2-9具有负电阻电压源图6-4-2-10 RLC串联电路的方波激励增加Rs即相当于减小了RLC串联回路中的总电阻，Rs可在几百欧范围调节， 实验时,先取nRs，然后逐步减小n （或增加Rs）,用示波器观察电容器两端电压UC波形，使响应分别出现过阻尼、 欠阻尼、无阻尼和负阻尼等五种情况， 并测出各种情况的衰减常数 a和振荡频率 d 。五、实验报告1电路中负阻器件是发出功率还是吸收功率？2在研究 RLC 串联电路的响应时， 在阻尼情况下， 如何确认激励源仍具有负的内阻值？ 3整理实验数据，画出必要的曲线。4描绘二阶