十二典型非线性环节的静态特性

1、实验十二典型非线性环节的静态特性一、实验目的1. 了解典型非线性环节输出输入的静态特性及其相关的特征参数；2. 掌握典型非线性环节用模拟电路实现的方法。二、实验设备同实验一。三、实验内容1. 继电器型非线性环节静特性的电路模拟；2. 饱和型非线性环节静特性的电路模拟；3. 具有死区特性非线性环节静特性的电路模拟；4. 具有间隙特性非线性环节静特性的电路模拟。四、实验原理控制系统中的非线性环节有很多种，最常见的有饱和特性、死区特性、 继电器特性和间隙特性。 基于这些特性对系统的影响是各不相同的， 因而了解它们输出输入的静态特性将有助于对非线性系统的分析研究。1. 继电型非线性环节图 12-1 为

2、继电器型非线性特性的模拟电路和静态特性。图 12-1 继电器型非线性环节模拟电路及其静态特性继电器特性参数M 是由双向稳压管的稳压值 (4.96V) 和后级运放的放大倍数 (RX /R1)决定的，调节可变电位器RX 的阻值，就能很方便的改变M 值的大小。输入 ui 信号用正弦信号或周期性的斜坡信号（频率一般均小于10Hz ）作为测试信号。实验时，用示波器的X-Y显示模式进行观测。2. 饱和型非线性环节图 12-2 为饱和型非线性环节的模拟电路及其静态特性。图 12-2 饱和型非线性环节模拟电路及其静态特性图中饱和型非线性特性的饱和值M 等于稳压管的稳压值 (4.9 6V) 与后一级放大倍数的乘

3、积。线性部分斜率k 等于两级运放增益之积。在实验时若改变前一级运放中电位器的阻值可改变 k 值的大小，而改变后一级运放中电位器的阻值则可同时改变M 和 k 值的大小。实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，注意信号频率的选择应足够低（一般小于10Hz ）。实验时，用示波器的X-Y 显示模式进行观测。3. 具有死区特性的非线性环节图 12-3 为死区特性非线性环节的模拟电路及其静态特性。图 12-3 死区特性非线性环节的模拟电路及其静态特性图中后一运放为反相器。由图中输入端的限幅电路可知，当二极管D 1（或 D 2）导通时的临界电压U io 为uioR1EE ( 在临界状态时 :R2u

4、i 0R1E )(12.1)1R2R1R2R1R2其中，R1。当 uiui0 时，二极管 D1（或 D2）导通，此时电路的输出电压R1R2为uoR2(ui uio )(1)(uiuio )R1R2令 k(1) ，则上式变为uok (uiuio )(12.2)反之，当uiui 0时，二极管 D1（或 D 2）均不导通，电路的输出电压u 为零。显然，o该非线性电路的特征参数为k 和 uio 。只要调节，就能实现改变k 和 uio 的大小。实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，注意信号频率的选择应足够低（一般小于 10Hz ）。实验时，用示波器的X-Y 显示模式进行观测。4. 具有间隙特

5、性的非线性环节间隙特性非线性环节的模拟电路图及静态特性如图12-4 所示。由图 12-4 可知，当 uiE 时，二极管D1 和 D2 均不导通，电容C1 上没有电压，即1UC（ C1 两端的电压） =0，u0=0；当 uiE 时，二极管 D 2 导通， ui 向 C1 充电，其电压为1uo(1)(uiuio )令 k(1) ，则上式变为uok(uiuio )图 12-4 间隙特性非线性环节的模拟电路及其静态特性当 uiuim 时， ui 开始减小，由于D 1 和 D2 都处于截止状态，电容C1 端电压保持不变，此时 C1 上的端电压和电路的输出电压分别为uC(1)(ui muio )u0k(u

6、i muio )当 ui ui m uio 时，二极管 D1 处于临界导通状态，若ui 继续减小，则二极管 D1 导通，此时 C1 放电， UC 和 U0 都将随着 ui 减小而下降，即uC(1)(ui muio )u0k(ui muio )当 uiui 0 时，电容 C1放电完毕， 输出电压 u0 0。同理， 可分析当 ui 向负方向变化时的情况。在实验中，主要改变值，就可改变 k 和 uio的值。实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，注意信号频率的选择。 实验时，用示波器的 X-Y 显示模式进行观测。五、实验步骤1. 继电器型非线性环节图 12-5 继电型非线性环节模拟电路（电

7、路单元：U 5 和电位器组）在 ui 输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的V p-V p 值大于 12V ，频率为 10Hz。在下列几种情况下用示波器的X-Y( 虚拟示波器上的Plot XY 模式，本实验中其它部分相同)显示方式 (ui 端接至示波器的第一通道，uo 端接至示波器的第二通道)测量静态特性 M 值的大小并记录。1)当 47K可调电位器调节至约1.8K(M=1) 时；2)当 47K可调电位器调节至约3. 6K(M=2) 时；3)当 47K可调电位器调节至约5.4K(M=3) 时；4)当 47K可调电位器调节至约10K(M=6 左右 )时；注：本实验中所采用的正弦波最好用实验台上的

8、“低频函数信号发生器”提供。2. 饱和型非线性环节图 12-6 饱和型非线性环节模拟电路（电路单元：U 5 和电位器组）在 ui 输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的V p-V p 值大于 12V ，频率为10Hz。将前一级运放中的电位器值调至10K ( 此时 k=1) ，然后在下列几种情况下用示波器的X-Y 显示方式 (ui 端接至示波器的第一通道，uo 端接至示波器的第二通道)测量静态特性M 和 k 值的大小并记录。1) 当后一级运放中的电位器值调至约2) 当后一级运放中的电位器值调至约3) 当后一级运放中的电位器值调至约1.8K(M=1)3.6K(M=2)5.4K(M=3)时；时；时；

9、4) 当后一级运放中的电位器值调至约10K时；注：为了更好的观察实验效果，“ THBDC-1 ”软件的时基最好设为-10 +10 或自动。3. 死区特性非线性环节图 12-7 死区特性非线性环节模拟电路（电路单元：U5 、U 6 和电位器组）在 ui 输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的V p-V p 值大于 12V ，频率为10Hz。在下列几种情况下用示波器的X-Y 显示方式 (ui 端接至示波器的第一通道，uo 端接至示波器的第二通道 )测量静态特性uio 和 k 值的大小并记录。1)调节两个可变电位器，当两个R1=2.0K ， R2=8.0K时；2)调节两个可变电位器，当两个R1=2.

10、5K ， R2=7.5K时；注：本实验的±E 值也可采用± 5V 。4. 具有间隙特性非线性环节图 12-8 间隙特性非线性环节模拟电路（电路单元：U 5、 U9、 U 17 和电位器组）在 ui 输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的V p-V p 值大于 12V ，频率为10Hz。在下列几种情况下用示波器的X-Y 显示方式 (ui 端接至示波器的第一通道，uo 端接至示波器的第二通道)测量静态特性uio 和k 值的大小并记录。1)调节两个可变电位器，当两个R1=2.0K ， R2=8.0K时；2)调节两个可变电位器，当两个R1=2.5K ， R2=7.5K时；注意由于元件（二极管、电阻等）参数数值的分散性，造成电路不对称，因而引起电容上电荷累积，影响实验结果，故每次实验启动前，需对电容进行短接放电。注：本实验的±E 值也可采用± 5V