电工电子综合实验结课论文-运算放大器电路应用-旋转器设计

1、PAGE PAGE 12电工电子综合实验结课论文学 生：- 运算放大器电路应用 旋转器设计摘要：旋转器实际是一种使旋转前后的伏安特性曲线旋转一定角度的电路，本实验利用运算放大器构造T型电阻网络来实现旋转器网络，主要论述如何设计一个旋转角=-30（顺时针），定标系数R=1k的旋转器电路；分别用电阻和非线性元件（二极管）作负载，测量并计算旋转前后的伏安特性角度，验证所设计的旋转器的旋转角度；作者应用Multisim 7软件进行仿真模拟，并运用Matlab、 Excel等软件进行数据处理，得出拟合曲线。关键词：旋转器设计 仿真模拟 拟合曲线 Multisim 7、Matlab软件引言：运算放大器是具

2、有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。运算放大器是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。旋转器作为运算放大器的一种应用，其实质在于利用运算放大器构造T型电阻网络来实现旋转器网络。本文将围绕旋转器的设计及相关软件的仿真模拟展开。实验材料与设备装置1.1实验器材：运算放大器、电阻、电压表、电流表，二极管1.2实验原理：1.2.1负电阻实验原理实现旋转器的顺时针旋转，需要用到负电阻，所以要先利用运算放大器及一

3、些电阻元件设计一个负阻抗变换器。现在负阻抗的应用也相当广泛，对此加以利用的回转器可以实现电感电容之间的转换，这大大地满足了商业需求。 运算放大器构成的负电阻变换器的原理如图1所示。 图1 负电阻变换器原理图在图1所示的负电阻变换器原理中，由运算放大器的虚短特性知A、C两端的节点电压相等，由欧姆定律知。由运算放大器虚断特性，知i QUOTE ， QUOTE 。再由运算放大器虚短特性，沿节点EDC构成的回路，运用KVL，易知 ，故。可见，沿AB两端往右看，输入电阻为 ，该运算放大器构成的电路实现的负电阻。1.2.2 旋转器设计原理：旋转器符号如图2所示，可以将线性或非线性元件在 ui平面旋转一个角

4、度，产生新的电路元件。 图2 旋转器符号 图3 旋转器“旋转”前后若将图中A的u-i特性的非线性的电阻元件接在图2的 U2 端口，则在图3中的U1端口得到图2中B的u-i特性曲线。 从图2可见，曲线B是由曲线A反时针旋转了角。设曲线上任一点P 坐标（u,i）,离原点距离为r,则有 （a） （b）点P反时针旋转了角后到P点，坐标（u1，i1） 为 (a1) (b1)把（a）带入(a1)式得： (a2)把（b）带入(b1)式得： (b2)式(a2)中 cos 无量纲；sin是电阻的量纲，因而要乘一个定标系数R。定标系数的大小取决于u-i曲线中电压和电流的单位，R=u/i。式（a2）变为： 同样式（

5、b2）中 cos 无量纲，sin是电导的量纲，要除一个定标系数R。式 (b2) 变为： 定义 QUOTE , QUOTE ，因此有T参数方程：用T形电阻网络的旋转器来实现，对应T参数的3个电阻是因此有式中，R为定标系数。由于定义了旋转反时针为+角，对于旋转顺时针，式中R3为负，即R3是负电阻，由上实现的负电阻利用进来就可实现顺时针旋转功能。2、实验过程： 根据旋转器原理，设计一个顺时针旋转旋转30度的旋转器。取定标系数为R=1000。由， R3=-2000。2.1根据负电阻原理，设计负电阻：a、负电阻电路图如图4所示： 图4 负电阻电路图b、通过Multisim 7软件进行仿真模拟，验证负电阻

6、，如图5所示：图5 负电阻仿真模拟图由R=U/I=10V/-5.215mA=-1918，符合理论值，可以用于实验。2.2 利用上设计好的负电阻，设计旋转器电路由，R1=R2=267.95设计电路如图6所示：图6 旋转器电路图2.3验证旋转器的旋转特性2.3.1利用线性元件即电阻去验证旋转特性电路设计如图7：图7 电阻验证旋转特性测量结果如表1：U1，I1为旋转后对应的电压与电流；U2，I2为不旋转时的并与U1和I1相对应的电压与电流。表1 电阻伏安特性曲线旋转数据其中，旋转角的平均值：=-29.7232；误差E=29.7232-3030100=0.93。利用MATLAB软件进行数据处理，结果如

7、图8所示：图8 电阻旋转示意图2.3.2用非线性元件即二极管来验证其旋转特性电路设计如图9所示：图9二极管验证旋转特性测量结果如表2:U1，I1为旋转后对应的电压与电流U2，I2为不旋转时的并与U1和I1相对应的电压与电流表2二极管伏安特性曲线旋转数据UII1U2I2-74.005-8.072-0.00711-29.8262-6.53.718-7.49-0.00622-29.8171-63.43-6.918-0.00622-29.8067-5.53.144-6.341-0.00529-29.8017-52.857-5.765-0.00529-29.7962-4.52.569-5.188-0.0

8、0441-29.7703-42.284-4.611-0.00441-29.7812-3.51.996-4.034-0.00355-29.746-31.709-3.457-0.00311-29.7203-2.51.423-2.881-0.00267-29.7015-21.136-2.304-0.00222-29.6518-1.50.848-1.727-0.00174-29.5386-10.562-1.15-0.0016-29.4157-0.50.275-0.573-0.00058-28.86910.5-0.2660.5630.029-30.961710.4240.6520.875-30.3317

9、1.51.2520.6711.842-30.133822.0960.6822.823-30.07572.52.9460.693.809-30.050433.8010.6964.798-30.02913.54.6570.7015.789-30.022545.5150.7056.6782-29.92694.56.3740.7087.775-30.018857.2330.7118.769-30.01975.58.0950.7149.764-30.011168.9560.71711-30.09046.59.8170.71912-30.08037110.72113-29.29677.5120.72314

10、-29.04918120.72314-30.73388.5130.72616-30.58059140.72817-30.28319.5150.72918-30.028210160.73119-29.8021其中，旋转角的平均值：=-29.9045误差E=29.9045-3030100=0.03利用MATLAB软件进行数据处理，结果如图10所示： 图10 二极管旋转示意图图11二极管旋转拟合示意图结果与讨论本实验利用运算放大器构造T型电阻网络，实现了旋转器网络，经验证，实验结果符合理论数值。在仿真模拟时，发现在研究线性元件的旋转特性时，测量负载伏安特性曲线使用电流表内接法可减小误差，而在研究非线性元件的旋转特性时则使用电流表外接法可减小误差。实验过程中，在测量二极管伏安特性曲线旋转时，当电源取0.5V时,软件无法仿真出结果,经过修改，将电流表与二极管交换电路中的位置时，才可以仿真出结果，具体原因,有待进一步研究。 5、结论（1）本实验是用Multisim 7软件做虚拟完成的，采用的都是理想元件。（2）由运算放大器的转移特性,电路所加电压不能超过其饱和电压(10V左右),超过饱和电压，