負(fù)阻抗變換器

1、實(shí)驗(yàn)五 負(fù)阻抗變換器的研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解負(fù)阻抗變換器的原理及其運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。2 通過(guò)負(fù)阻器加深對(duì)負(fù)電阻(阻抗)特性的認(rèn)識(shí),掌握對(duì)含有負(fù)阻的電路的分析測(cè)量方法。二、實(shí)驗(yàn)原理負(fù)阻抗變換器(NIC)是一種二端口器件，如圖51所示。圖51通常，把端口11處的U1和I1稱為輸入電壓和輸入電流，而把端口22處的U2和-I2稱為輸出電壓和輸出電流。U1、I1和U2、I2的指定參考方向如圖51中所示。根據(jù)輸入電壓和電流與輸出電壓和電流的相互關(guān)系，負(fù)阻抗變換器可分為電流反向型(CNIC)和電壓反向型(VNIC)兩種，對(duì)于CNIC，有U1 =U2 I1=( )（）式中K1為正的實(shí)常數(shù)，稱為電流增益。由上式可見(jiàn)，

2、輸出電壓與輸入電壓相同，但實(shí)際輸出電流-I2不僅大小與輸入電流I1不同(為I1的1/ K1倍)而且方向也相反。換言之，當(dāng)輸入電流的實(shí)際方向與它的參考方向一致時(shí)，輸出電流的實(shí)際方向與它的參考方向相反(即和I2的參考方向相同)。對(duì)于VNIC，有U1= U2 I1 = 式中K2是正的實(shí)常數(shù)，稱為電壓增益。由上式可見(jiàn)，輸出電流-I2與輸入電流I1相同，但輸出電壓U2不僅大小與輸入電壓U1不同(為U1的1/K2倍)而且方向也相反。若在NIC的輸出端口22接上負(fù)載ZL，則有U2= -I2ZL。對(duì)于CNIC，從輸入端口11看入的阻抗為對(duì)于VNIC，從輸入端口11看入的阻抗為若倒過(guò)來(lái)，把負(fù)載ZL接在輸入端口1

3、1，則有U1=-I1ZL，從輸出端口22看入，對(duì)于CNIC，有對(duì)于VNIC，有綜上所述，NIC是這樣一種二端口器件，它把接在一個(gè)端口的阻抗變換成另一端口的負(fù)阻抗。 NIC可用受控源來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖52（a）和（b）分別給出了實(shí)現(xiàn)CNIC和VNIC的原理圖。（a） (b)圖52實(shí)用上通常采用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)NIC。本實(shí)驗(yàn)所用的CNIC即由線性集成運(yùn)算放大器(HA17741型)構(gòu)成，在一定的電壓、電流范圍內(nèi)具有良好的線性度，其原理電路如圖53所示。圖53我們把選用的運(yùn)算放大器作為理想運(yùn)算放大器來(lái)處理，則根據(jù)理想運(yùn)算放大器的以下性質(zhì)：(1) 電壓放大倍數(shù)A，即運(yùn)算放大器的同相、反相兩個(gè)輸入端如果不是直接接

4、在理想電壓源（或受控電壓源），則兩個(gè)輸入端的電壓相等（虛短路）。(2) 輸入阻抗Zi ,即電入兩個(gè)輸入端的電流為零。應(yīng)有=U2，I3Z1= I4Z2 ，I1=I3和I2=I4，因此，得I1Z1=I2Z2式中，K1=Z2/Z1為電流增益。輸入端口11看入的阻抗為本實(shí)驗(yàn)中，取Z1=R1=1K，Z2=R2=300，得當(dāng)ZL=RL時(shí)當(dāng)時(shí)其中，當(dāng)ZL=jL時(shí)，其中，C=三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 測(cè)量負(fù)電阻的伏安特性，計(jì)算電流增益K1及等值負(fù)阻圖54(1) 接通電源，檢查15V電壓，當(dāng)電源接入正常時(shí)方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(2) 按圖54接線。(3) 調(diào)節(jié)電阻箱使負(fù)載電阻RL=500。(4) CNIC零點(diǎn)失調(diào)電壓測(cè)量。輸入短

5、路，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量R1上的電壓UR1，記下UR1值，若過(guò)大則數(shù)據(jù)處理時(shí)要進(jìn)行修正。(5) 改變穩(wěn)壓源輸出電壓為正、負(fù)不同值時(shí)分別測(cè)量U1及UR1 記入表1。(6) RL=1K，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)表格自行設(shè)計(jì)。由前面可知，流入運(yùn)算放大器輸入端的電流為零，故I1全部流過(guò)R1因此I1可由式算出。注意UR1的參考方向，當(dāng)UR1的實(shí)際方向與參考方向相反時(shí)，測(cè)得的UR1讀數(shù)為負(fù)，則I1也為負(fù)值，即I1的實(shí)際方向與參考方向相反。表1 RL500U1(V) 321-1-2-3UR1(V) I1= UR1/ R1(mA) R-= U1/ I1（）計(jì)算負(fù)電阻的平均值，負(fù)電阻的理論計(jì)算值表2 誤差計(jì)算列表如下：R

6、L() () ()R_= ()(R_)100%5001000(7) 注意事項(xiàng)a CNIC的輸入電壓絕對(duì)值U13(V)，輸入電流絕對(duì)值I13(mA)。b 本實(shí)驗(yàn)也可采用正弦交流信號(hào)源。但應(yīng)注意信號(hào)源內(nèi)阻RS8，因CNIC的11端口為短路穩(wěn)定端口，過(guò)高的信號(hào)源內(nèi)阻會(huì)使CNIC不穩(wěn)定。若RS超過(guò)8，則可在信號(hào)源輸出端口并聯(lián)一個(gè)電阻箱調(diào)節(jié)電阻箱的阻值使等值輸出電阻小于8。應(yīng)該指出，并聯(lián)電阻將使信號(hào)源輸出電壓降低，當(dāng)信號(hào)源內(nèi)阻RS較大時(shí)，尤為嚴(yán)重，這一點(diǎn)要特別注意。2測(cè)定負(fù)內(nèi)阻電壓源的外特性(1) 按圖55接線。若穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻近似為零，則11端口的左邊部分相當(dāng)于電源電壓為Us內(nèi)阻為Rs+的有源二端網(wǎng)絡(luò)

7、(為的熔斷絲電阻)。根據(jù)CNIC的性質(zhì)，22端口的左邊電路也等效于一個(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò)，而且等效電源電壓仍為Us，等效內(nèi)阻為負(fù)電阻。圖55換言之，22端口的左邊電路就是一個(gè)具有負(fù)內(nèi)阻的電壓源。按照?qǐng)D55所示的電壓、電流參考方向，有U2=U1=UsI1(Rs+Rf1) 而 I1 =K1 I2，得上式的等效電路如圖56（a）所示。(a) (b) 圖56 通常，規(guī)定電源支路的電流參考方向與電壓參考方向相反因此取I2= I2，則上式的等效電路如圖56(b)所示。此時(shí)，負(fù)載RL上的電流參考方向就和電壓參考方向一致了。(2) 固定Us=1V，Rs=500。改變RL取0范圍內(nèi)不同值時(shí)分別測(cè)量U2及U記入表4。由

8、公式，算出電流I2(Rf2為的熔絲電阻)，并繪出負(fù)內(nèi)阻電壓源的實(shí)測(cè)外特性曲線和理論計(jì)算的外特性曲線U2=f(I2)。(3) 注意事項(xiàng)：，負(fù)內(nèi)阻電壓源可能不穩(wěn)定，Us變成負(fù)載被充電。解決辦法之一是迅速測(cè)量在時(shí)的U2及U。表4 US=1V RS=500RL()010050KU2(V)U(V)（mA）3負(fù)阻振蕩器 在分析二階電路時(shí)可知，若RLC串聯(lián)電路的電阻R，則該電路的沖激響應(yīng)為衰減振蕩。如果在電路中串聯(lián)一個(gè)負(fù)電阻R_，則當(dāng)R+R_=0時(shí)，電路的沖激響應(yīng)為等幅振蕩；當(dāng)R+R_0時(shí)，電路的沖激響應(yīng)為增幅振蕩。根據(jù)這一原理便可方便地構(gòu)成負(fù)阻振蕩器。(1) 按圖57接線。逐步增大Rs，使電路總電阻為負(fù)值

9、，借助于電路中的微小擾動(dòng)便可建立振蕩。由于負(fù)阻的作用振蕩振幅逐漸增大，當(dāng)振蕩幅度達(dá)到所需值時(shí)，可減小Rs使電路總電阻為零以維持等幅振蕩。如不減小Rs，則振蕩振幅將一直增大至運(yùn)算放大器輸出達(dá)到非線性為止。(2) 為了維持等幅振蕩，必須嚴(yán)格使電路總電阻為零。即使如此，由于電路中總是存在某些擾動(dòng)，等幅振蕩也很難長(zhǎng)久穩(wěn)定。所以，在實(shí)用的負(fù)阻振蕩器中，一般都設(shè)有幅度負(fù)反饋電路，使電路中的正電阻(或負(fù)電阻)隨振蕩振幅的增大而增大(或減小)。實(shí)驗(yàn)中可以用一個(gè)40W日光燈鎮(zhèn)流器(鐵芯線圈)替換電路中的電感L，利用鐵芯線圈中等值損耗電阻(由鐵芯的磁滯損耗及渦流損耗所造成)與線圈中振蕩電流的非線性關(guān)系(振蕩電流幅

10、度越大，等值損耗電阻越大)來(lái)穩(wěn)定振蕩。當(dāng)RS增加時(shí)，振蕩振幅隨之增加，但損耗電阻也將增加，振蕩在新的幅度下達(dá)到平衡。若RS不變，由于擾動(dòng)使振蕩振幅增加時(shí)，損耗電阻增加使振蕩振幅回到原來(lái)平衡點(diǎn)。 圖57(3) 實(shí)驗(yàn)中要求調(diào)節(jié)使電路發(fā)生等幅振蕩，記下的值（精確到個(gè)位）。為了增加精確度，可以從不振蕩到剛開(kāi)始建立穩(wěn)定的振蕩波形記錄一次，再?gòu)挠姓袷幉ㄐ蔚綗o(wú)振蕩波形記錄一次，然后求平均。同時(shí)測(cè)出振蕩頻率和輸出的峰峰值。4阻抗變換 在CNIC輸出端口22上接電容C，則從輸入端口11看入的等效阻抗為可見(jiàn)等效阻抗呈電感性，等效電感Leg為式中為CNIC的電流增益。(1) 按圖58接線。將函數(shù)發(fā)生器選定為正弦波輸

11、出，調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器輸出電壓，使U11V。改變函數(shù)發(fā)生器正弦輸出頻率f，當(dāng)f取為200HZ900HZ范圍內(nèi)不同值時(shí)分別測(cè)量U1及UR1 記入表5。應(yīng)該指出，若信號(hào)源內(nèi)阻RS超過(guò)8，可能產(chǎn)生高頻振蕩，可在信號(hào)源輸出端并聯(lián)一個(gè)電阻箱調(diào)節(jié)電阻箱的阻值使等值輸出電阻小于8。 圖58(2) 用雙蹤示波器觀察U1、I1的相位關(guān)系。從圖58接線可知，實(shí)際觀察的是U1及I1的波形和相位關(guān)系。表f(Hz)2003004005006007008009001(V)R1(V)I1= UR1/ R1(mA)Ieg= U1/ R1(mA)5負(fù)電阻與正電阻的串并聯(lián)連接 負(fù)電阻與正電阻串并聯(lián)時(shí)的等效電阻的計(jì)算公式與只含有正電阻

12、時(shí)的計(jì)算公式相同。當(dāng)電路為線性定常電路時(shí)，對(duì)于串聯(lián)連接，等效電阻為Reg=對(duì)于并聯(lián)連接，等效電阻為Reg= 其中，n、m分別為負(fù)電阻，正電阻的數(shù)目。圖59(1) 按圖59接線。從接線圖可知，CNIC輸出端口22所接的負(fù)載電阻RL=R7+Rf2=300+,為的熔斷絲電阻可用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)出。從輸入端口11看入的負(fù)電阻=(300+)，約為K左右。(2) 調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源使輸出電壓約為1伏，將串聯(lián)電阻由零逐步增加為不同值時(shí)，分別測(cè)量電壓、U1及UR1。注意：當(dāng)由零增加時(shí)，由于負(fù)電阻被正電阻逐漸相消，等效電阻，越來(lái)越小，輸入電流I1將越來(lái)越大。為了使CNIC能正常工作，必須保證I1不超過(guò)3mA，必要時(shí)應(yīng)隨時(shí)

13、降低穩(wěn)壓電源的輸出電壓。此外，CNIC的11端口 為短路穩(wěn)定端口，不宜過(guò)大，一般可使500。(3) 固定=500，在11端口并聯(lián)一個(gè)電阻箱()，當(dāng)為不同值時(shí)，分別測(cè)量U1、U及UR1。注意：此時(shí)電流為總輸入電流I，應(yīng)在電阻R串上測(cè)量電壓U。由公式I=U算出總電流I 。串聯(lián)連接：R串() Ui(V)U1(V)UR1(V)I1= UR1/ R1(mA) R-= U1/ I1（）0100300500續(xù)： 并聯(lián)連接U(V)U1(V)UR1(V)續(xù)： 四、實(shí)驗(yàn)思考題1. 測(cè)量負(fù)電阻的伏安特性時(shí)，能否采用正弦交流信號(hào)來(lái)做，應(yīng)該使用哪些儀器？并畫(huà)出接線圖，2. 正電阻和負(fù)電阻都是二端元件，兩者有何不同？3. 戴維南定理是否適用于含負(fù)電阻的有源單口？4. 從負(fù)阻抗變換角度看,22 端口接正電容,從11 端口看進(jìn)去為負(fù)電容，如果22端口接正電感，11端口看進(jìn)去為負(fù)電感。從示波器觀察相位關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)負(fù)電容即為正電感，那么負(fù)電感應(yīng)當(dāng)是正電容，這種說(shuō)法