电工电子综合实验报告材料-负阻抗变换器和回转器

电工电子综合实验报告——负阻抗变换器和回转器的设计

一、摘要

本文提出了利用运算放大器实现：

（1） 负阻抗变换器〔NIC〕的电路 （2） 回转器电路 二、引言

1、理想运算放大器有着①开环电压放大倍数A为无穷大；②输入电阻为无穷大；③输出电阻为零的特性。而它在线性工作区的两个特性：“虚短〞与“虚短〞使得它有了广泛的应用。如比例器、加法器、减法器、积分器等。本文中如此是实现了简单的负阻抗变换器和回转器。 2、负阻抗变换器〔NIC〕是一种二端口器件，是电路理论中的一个重要的根本概念，在工程实践中也有广泛的应用。它一般由一个有源二端网络形成一个等值的线性负阻抗。该网络可由线性集成电路或晶体管等元器件组成。

3、回转器是一种二端口网络元件，可用含晶体管或运算放大器的电路来实现。它有着①不消耗能量不存储能量②非记忆元件③线性非互异元件④电量回转作用的特点。也就是说它具有把一个端口的电压〔或电流〕“回转〞成另一端口电流〔或电压〕的能力。它的一个重要用途就是将电容“回转〞成电感，或反之。 三、正文

〔一〕实验材料与设备装置

本实验采用的是虚拟的方法，所使用的软件为Multisim7。 〔二〕实验过程

1、用运放设计一负阻抗变换器〔NIC〕电路 ⑴电流反向型负阻抗变换器〔INIC〕〔图1—1〕

图1—1 INIC电路

INIC的端口特性可用T参数描述为： U1 1 0 U2 ，其中 1 0 = T=

I1 0 -1/k I2 0 -1 /k 当有负载Zl时，11’ 端口看进去的端口阻抗Z=U1/I1=kU2/I2，即为Z=-kZ2.

即假如22’接电阻R时，端口阻抗为-kR;接电感时，端口阻抗为-kL；接电容时，端口阻抗为-kC。

⑵电压反向型负阻抗变换器〔VINC〕〔图1—2〕

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图1—2 VNIC电路

VNIC的端口特性可用T参数描述为： U1 -k 0 U2 ，其中 -k 0 = T= I1 0 1 I2 0 1 当有负载Zl时，11’ 端口看进去的端口阻抗Z=U1/I1=kU2/I2，即为Z=-kZ2.

即假如22’接电阻R时，端口阻抗为-kR;接电感时，端口阻抗为-kL；接电容时，端口阻抗为-kC。

总结：利用NIC电路可实现负电阻、负电容与负电感。

⑶实验电路INIC的开路稳定〔OCS〕与短路稳定〔SCS〕性的研究

① OCS研究：改变OCS端口的阻值，观察T矩阵中参数k的变化情况。实验线路参见图

1—3—1a。其中SCS端口接入7V直流电源，元件R1=1000欧，R2=2000欧，R3为可调。如此K理论值为0.5。

图1—3—1a 电流反相型阻抗变换器实验电路a〔INIC〕

表1—3—1a

R3 OCS端口接入小电阻 临界状况 OCS端口接入大电阻 50 500 1000 1001 1050 U/V 2 / 8

I R=U/I -500 K=-R/R3 word

从表中数据我们不难发现当OCS端口接入的电阻值小于1000欧时，电路并不满足上面推导的T矩阵关系式，而接入大于1000欧的电阻时，电路趋于稳定，而实验测得的参数k=0.4998的误差为0.4‰，这说明该电路能很好的满足T矩阵关系式。即OCS端口只允许接高阻抗负载，即满足开路稳定。

② SCS研究：改变SCS端口的阻值，观察T矩阵中参数k的变化情况。实验线路参见图1

—3—1b。其中SCS端口接入7V直流电源，元件R1=1000欧，R2=2000欧，R3=3000欧,R4可调。如此K理论值为0.5。

图1—3—1b 电流反相型阻抗变换器实验电路b〔INIC〕

表1—3—1b R4 SCS端口接入小电阻 临界状况 SCS端口接入大电阻 10 30 50 70 90 667 668 800 1000 1200 U/V I R=U/I K=-R/R3 ‰，这说明该电路能很好的满足T矩阵关系式。即SCS端口只允许接低阻抗负载，即满足短路稳定。

⑷实验电路VNIC的开路稳定〔OCS〕与短路稳定〔SCS〕性的研究

①OCS研究：改变OCS端口的阻值，观察T矩阵中参数k的变化情况。实验线路参见图1—4—1a。其中OCS端口接入8V直流电源，元件R1=1欧，R2=0.5欧，R3为可调。如此K理论值为2。

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图1—4—1a 电压反相型阻抗变换器实验电路a〔VNIC〕

表1—4—1a R3 临界状况 OCS端口接入大电阻 1n 1u U/V I R=U/I K=-R/R3 经过屡次实验，我发现当OCS端口接入的电阻值小于1u欧时，电路才并不满足上面推导的T矩阵关系式，而接入大于1u欧的电阻时，电路趋于稳定，而实验测得的参数k=1.9996的误差为0.2‰，这说明该电路能很好的满足T矩阵关系式。对于这个电路，它对大电阻的要求并不高，只需大于1u欧的电阻的电阻就可。

② SCS研究：改变SCS端口的阻值，观察T矩阵中参数k的变化情况。实验线路参见图1

—4—1b。其中SCS端口接入8V直流电源，元件R1=1欧，R2=0.5欧，R3=3000欧,R4可调。如此K理论值为2。

图1—4—1b 电压反相型阻抗变换器实验电路b〔VNIC〕

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表1—4—1b R4 SCS端口接入小电阻 临界状况 接入大电阻 U/V I R=U/I K=-R/R3 ‰，这说明该电路能很好的满足T矩阵关系式。即SCS端口只允许接低阻抗负载，即满足短路稳定。

总结以上四组数据可知，用集成运放组成的NIC，为稳定工作，必须保证运放的负反应强于正反应。OCS正是只容许接高阻抗负载的端口，为开路稳定端；SCS正是只容许接低阻抗负载的端口，为短路稳定端。

2、用运放设计一个回转器电路 ⑴设计如图2—1的回转器

图2—1回转器电路

参数见图示。

回转器电压电流关系式的推导过程如下：

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UBU1••UC2U1••••UDU2••••UE2U22U1••UCUD2U1U2IDRR•••••UDUEU2UEIDRR•••••I1IaIbU1U2U12U1RR••••U2I1R••U2(2U22U1)U1U2U1I2IcIaRRR•••••••••U1I2R••i1gu2i2gu1

其中g=1/R.很显然，此方程为回转器〔与图2—1相比，回转方向变为向左了〕的伏安方程，故此电路为一回转器。

⑵测量回转参数g，电路如图2—2。 元件参数为：电阻R1-R7和R9全取1000欧，电源电压3V，频率1000赫兹，R8为可调电阻。如此理论值g=1/R8=0.001。

图2—2 回转器参数测量电路

表2-2 R8 100 200 300 400 500 600 700 800 U1/V I1/mA U2/V I2/mA 6 / 8

g1=I1/U2 g2=I2/U1 g’=(g1+g2)2 g word

显然，g实验值与理论值十分吻合。 ⑶将电容回转成一模拟纯电感

为了证明回转器将纯电容回转成一纯电感，可将其与一个电容串联，测量回路中电流量，观察是否发生了串联谐振。电路如图2-3。元件参数：电阻R1-R7全取1000欧,R9=2000欧，电源电压8V，频率可调，电容C1和C2均取1uF.经过该电路C1回转成一个1H的电感，将1uF的电容与之串联，如此发生谐振的频率为f0=159.155赫兹。

图2—3 将电容回转成电感电路

表2-3 f/Hz I/mA f/Hz I/mA 100 165 110 170 120 180 130 190 140 200 150 210 155 220 160 230

为了得到直观的I变化趋势，作图2-3-1。

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图2-3-1 I-f图

从图中我们可以读出I取最大值时所对应的频率为160Hz，误差为0.5﹪，这说明了设计的电路确实将电容回转成了一个纯电感。

四、总结

本次实验中我研究的侧重点为①电路中参数的选择②实验数据的测量与处理。

在电路元件参数的选择方面，需要我们对电路的原理与运行方式和特性有熟练的掌握，否如此无法选出能够测得较准数据电路元件。如在NIC电路之中，T矩阵参数的有几种表达方式，为了减少可能出现的误差，我选择了本文中的矩阵方式，在测量过程中我们只需测一个参数即k即可，如此很是方便快捷。不仅如此，实验中电路里的电源也有一定的要求。一开始做这个实验时我选择的电源过大，测出的数据跳动性很大，在选择了小一些的电源之后，实验数据稳定了很多。

在实验数据的测量与处理方面，主要的难点在NIC电路中端口SCS和OCS研究上。在此，我选择了控制变量法的研究方法。控制了电路中的变量之后，研究也变得方便了很多。 而测量出SCS和OCS端口的临界电阻也需要很大的耐心，不断重复测量。在回转电路中，如何证明电容回转后形成了一个电感是另一个难点。在教师的提示下，我选择了LC谐振中的串联谐振。而我们已经在平时做过研究LC谐振的电路实验，在这里可以说是学以致用。

总的来说，这次的电路虚拟实验给了我受益匪浅。我不仅学到了书本里没有的知识如负阻抗变换器，而且懂得了书本里面放大器的实际应用和回转器的构成等。 五、参考文献

教师提供的有关负阻抗的课件一份、某某交大实验负阻抗的研究课件、网上的一些资料。

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