电工电子综合实验一,非线性电阻电路的研究

1、非线性电阻电路的研究 黄凯一、 摘要单个电阻的伏安特性曲线是线性的，但在很多情况下，我们需要一些按照特殊要求变化的非线性电阻电路。在熟悉一些基本二端电阻元件伏安特性的基础上。用电路仿真软件Multisim设计出要求的非线性电路，并测量其伏安数据，画出其伏安特性曲线，与要求的伏安特性曲线对比。研究非线性电阻电路的伏安特性。二、 关键词非线性电阻电路，伏安特性，二极管，稳压管，恒流管，电压源，电流源，线性电阻三、 引言非线性系统及混沌现象的研究是当今科学研究领域的一个前沿课题，其涉及面广，应用前景非常广阔。混沌是非线性方程描述的确定性系统所产生的介于周期振荡与噪声之间的一种复杂振荡，混沌振荡频谱既

2、有貌似随机又有宽频带谱，因此在保密通信与扩频通信领域已经得到了广泛的关注与应用如混沌保密通信技术、数字水印技术和混沌扩频通信技术等。非线性电阻电路的研究是研究混沌现象的基础。通过对非线性电阻电路的研究，熟练掌握各二端电阻元件的伏安特性，及用他们组合成非线性电阻电路的方法。初步了解非线性电阻电路的应用。四、 正文1） 实验材料与设备装置电路仿真软件Multisim，电脑。2） 实验原理及方法常见二端电阻元件二极管、稳压管、恒流管、电压源、电流源和线性电阻。它们各有各的伏安特性曲线。它们的伏安特性曲线如下图所示：iiiuuuuuuuuuuuuuuuuuuiiiOiG=1/RuUsG=1/Riu当两

3、个或两个以上元件串联时，电路的伏安特性图上的电压时各元件电压之和。串联所得电路伏安特性曲线如下图所示。具有该伏安特性的电阻称为凹电阻。上述电阻的主要参数是Us和G=1/R，改变Us和G的值，就可以得到不同的凹电阻。图中的电压也可以用稳压管代替。Is与凹电阻对应，凸电阻则是当两个或以上元件并联式，电流是各元件电流之和。并联所得电路伏安特性曲线如下图所示。具有该伏安特性的电阻称为凸电阻。上述电阻的主要参数是Is和G=1/R，改变Is和G的值，就可以得到不同的凸电阻。图中的电流源也可以用恒流管代替。了解各元件串并联行成的伏安特性曲线后，只需要把上述两种电路进行适当的连接即可得到需要的曲线。所用方法为

4、串联分解法和并联分解法。串联分解法在伏安特性曲线中以电流I轴为界来分解曲线。并联分解法在伏安特性曲线中以电压U轴来分解曲线。下面，我将通过对实验过程的具体描述来阐释这两种方法。3） 实验过程下图所示为设计的非线性电阻电路所需满足的伏安特性曲线：伏安特性（一）伏安特性（二）下面我将以伏安特性（二）为例来具体阐释对非线性电阻的研究方法。首先将曲线以纵坐标轴为界分为左右两部分。我们只对右半部分进行讲解说明，左半部分类比可得。伏安特性（二）的曲线可分解为以下三组曲线的叠加：CCDDBABA图1图2CBA图3其中，图1对应的电路图为：其中稳压管D17，二极管D19，电阻R7共同组成一个凹电阻。稳压管D1

5、7为6V表示Us等于6V，G=1/R为斜率。它们表示出ABC段。下面的电流源15，二极管D18共同组成一个凸电阻。电流源为3mA，表示Is等于3mA。我们看到，这个凸电阻没有线性电阻。我们可以认为线性电阻为无穷大。那么，G=1/R=0。则，它们表示出了CD段。将这个凸电阻和上述凹电阻串联起来即可得到ABCD曲线。这就是所谓的串联分解法。图2对应的电路图为：其中稳压管D18，二极管D20，电阻R7共同组成一个凹电阻。稳压管D18为12V表示Us等于12V，G=1/R为斜率。它们表示出ABC段。下面的电流源15，二极管D19共同组成一个凸电阻。电流源为3mA，表示Is等于3mA。这个凸电阻也没有线

6、性电阻。可以认为线性电阻为无穷大。那么，G=1/R=0。则，它们表示出了CD段。将这个凸电阻和上述凹电阻串联起来即可得到ABCD曲线。图3对应的电路图为：其中稳压管D17，二极管D18，电阻R7共同组成一个凹电阻。稳压管D18为15V表示Us等于15V，G=1/R为斜率。它们表示出ABC段。由于后面不用再叠加其他曲线，而且其后斜率一直不变，所以就不用再串联上述的凸电阻了。三段曲线对应的电路都连接完成之后就把这三个“电阻”都并联起来。由于并联的总电流等于各支路电流之和。三个“电阻”的并联就相当于电流的叠加，即曲线在纵坐标轴上的叠加。这就是所谓的并联分解法。并联之后，串上电压源和电流表，测量出相应

7、的数据，并根据数据画出伏安特性曲线，发现曲线与要求的曲线的右半部分符合得很好。通过类比的方法。我们就可以很容易地等到曲线的左半部分。我们只需把上述右半部分的所有元件做垂直镜像，再顺次连接起来，然后将左右两半并联起来即可得到总的电路。最后我们将电压表从-30V顺次调到30V，每次记下测出的电流值，画出伏安特性曲线，并与要求的伏安特性曲线对比。4） 实验结果伏安特性（一）的电路图为：伏安特性（一）实验数据：u/V-3-2-1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4i/mA-2.001-2-1.938-1.795-1.622-1.438-1.249-1.057-0.866u/V-0.3-0.

8、2-0.100.10.20.30.40.5i/mA-0.675-0.487-0.28100.2810.4870.6750.8661.057u/V0.60.70.80.91230.60.7i/mA1.2491.4381.6221.7951.93822.0011.2491.438u/V0.80.91230.80.912i/mA1.6221.7951.93822.0011.6221.7951.9382伏安特性（一）要求图与实验图的对比：伏安特性（二）的电路图为：伏安特性（一）实验数据：u/V-30-20-19-18-17-16-15-14-13i/mA-15-8.612-8.022-7.432-6.

9、846-6.278-5.94-5.027-4.077u/V-12-11-10-9-8-7-6-5-4i/mA-3.312-2.501-2.014-1.562-1.04-0.555-0.098-0.00088-0.00044u/V-3-2-1012345i/mA00000000.000880.00088u/V67891011121314i/mA0.0990.5571.041.5282.0162.5033.1324.0775.027u/V15161718192030i/mA5.946.2786.8467.4328.0188.61215伏安特性（二）要求图与实验图的对比：5） 结果的讨论从实验结果中

10、我们可以看出，无论是伏安特性（1）的曲线，还是伏安特性（2）的曲线，都与我们要求的曲线符合得很好。只要我们以凹电阻与凸电阻为基本模块，通过并联分解法和串联分解法将其进行适当的拼接，即可得到我们想要的伏安特性曲线。五、 结论通过整个实验过程，可以看出，我们可以人为地通过对二端电阻元件进行适当的连接，得到我们需要的非线性电阻电路。在实验之前应该熟练掌握凹凸电阻的连接方法，以及串联分解法和并联分解法。同时在实验过程中要注意对各二端电阻元件参数的调试。由于二极管的正向也有0.3V0.7V的电压降，会产生系统误差，此时我们要通过对其他电阻元件参数的调试来逼近真值。例如对电阻的参数的调节。在实验2中，斜线的斜率本应为2，电阻则因为500欧姆。但通过测试发现，将电阻调节到470欧姆时，实验值更接近要求值，所以我们就可以用470欧姆。如果还有比470欧姆更好的参数，我们也可以将470替换掉。本实验的重点在于凹凸电阻的基本连接方法，串并联分解法，以及对连接号电路的