電工電子綜合實驗一,非線性電阻電路的研究

1、非線性電阻電路的研究 黃凱一、 摘要單個電阻的伏安特性曲線是線性的，但在很多情況下，我們需要一些按照特殊要求變化的非線性電阻電路。在熟悉一些基本二端電阻元件伏安特性的基礎(chǔ)上。用電路仿真軟件Multisim設(shè)計出要求的非線性電路，并測量其伏安數(shù)據(jù)，畫出其伏安特性曲線，與要求的伏安特性曲線對比。研究非線性電阻電路的伏安特性。二、 關(guān)鍵詞非線性電阻電路，伏安特性，二極管，穩(wěn)壓管，恒流管，電壓源，電流源，線性電阻三、 引言非線性系統(tǒng)及混沌現(xiàn)象的研究是當(dāng)今科學(xué)研究領(lǐng)域的一個前沿課題，其涉及面廣，應(yīng)用前景非常廣闊?；煦缡欠蔷€性方程描述的確定性系統(tǒng)所產(chǎn)生的介于周期振蕩與噪聲之間的一種復(fù)雜振蕩，混沌振蕩頻譜既

2、有貌似隨機又有寬頻帶譜，因此在保密通信與擴頻通信領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用如混沌保密通信技術(shù)、數(shù)字水印技術(shù)和混沌擴頻通信技術(shù)等。非線性電阻電路的研究是研究混沌現(xiàn)象的基礎(chǔ)。通過對非線性電阻電路的研究，熟練掌握各二端電阻元件的伏安特性，及用他們組合成非線性電阻電路的方法。初步了解非線性電阻電路的應(yīng)用。四、 正文1） 實驗材料與設(shè)備裝置電路仿真軟件Multisim，電腦。2） 實驗原理及方法常見二端電阻元件二極管、穩(wěn)壓管、恒流管、電壓源、電流源和線性電阻。它們各有各的伏安特性曲線。它們的伏安特性曲線如下圖所示：iiiuuuuuuuuuuuuuuuuuuiiiOiG=1/RuUsG=1/Riu當(dāng)兩

3、個或兩個以上元件串聯(lián)時，電路的伏安特性圖上的電壓時各元件電壓之和。串聯(lián)所得電路伏安特性曲線如下圖所示。具有該伏安特性的電阻稱為凹電阻。上述電阻的主要參數(shù)是Us和G=1/R，改變Us和G的值，就可以得到不同的凹電阻。圖中的電壓也可以用穩(wěn)壓管代替。Is與凹電阻對應(yīng)，凸電阻則是當(dāng)兩個或以上元件并聯(lián)式，電流是各元件電流之和。并聯(lián)所得電路伏安特性曲線如下圖所示。具有該伏安特性的電阻稱為凸電阻。上述電阻的主要參數(shù)是Is和G=1/R，改變Is和G的值，就可以得到不同的凸電阻。圖中的電流源也可以用恒流管代替。了解各元件串并聯(lián)行成的伏安特性曲線后，只需要把上述兩種電路進行適當(dāng)?shù)倪B接即可得到需要的曲線。所用方法為

4、串聯(lián)分解法和并聯(lián)分解法。串聯(lián)分解法在伏安特性曲線中以電流I軸為界來分解曲線。并聯(lián)分解法在伏安特性曲線中以電壓U軸來分解曲線。下面，我將通過對實驗過程的具體描述來闡釋這兩種方法。3） 實驗過程下圖所示為設(shè)計的非線性電阻電路所需滿足的伏安特性曲線：伏安特性（一）伏安特性（二）下面我將以伏安特性（二）為例來具體闡釋對非線性電阻的研究方法。首先將曲線以縱坐標(biāo)軸為界分為左右兩部分。我們只對右半部分進行講解說明，左半部分類比可得。伏安特性（二）的曲線可分解為以下三組曲線的疊加：CCDDBABA圖1圖2CBA圖3其中，圖1對應(yīng)的電路圖為：其中穩(wěn)壓管D17，二極管D19，電阻R7共同組成一個凹電阻。穩(wěn)壓管D1

5、7為6V表示Us等于6V，G=1/R為斜率。它們表示出ABC段。下面的電流源15，二極管D18共同組成一個凸電阻。電流源為3mA，表示Is等于3mA。我們看到，這個凸電阻沒有線性電阻。我們可以認(rèn)為線性電阻為無窮大。那么，G=1/R=0。則，它們表示出了CD段。將這個凸電阻和上述凹電阻串聯(lián)起來即可得到ABCD曲線。這就是所謂的串聯(lián)分解法。圖2對應(yīng)的電路圖為：其中穩(wěn)壓管D18，二極管D20，電阻R7共同組成一個凹電阻。穩(wěn)壓管D18為12V表示Us等于12V，G=1/R為斜率。它們表示出ABC段。下面的電流源15，二極管D19共同組成一個凸電阻。電流源為3mA，表示Is等于3mA。這個凸電阻也沒有線

6、性電阻。可以認(rèn)為線性電阻為無窮大。那么，G=1/R=0。則，它們表示出了CD段。將這個凸電阻和上述凹電阻串聯(lián)起來即可得到ABCD曲線。圖3對應(yīng)的電路圖為：其中穩(wěn)壓管D17，二極管D18，電阻R7共同組成一個凹電阻。穩(wěn)壓管D18為15V表示Us等于15V，G=1/R為斜率。它們表示出ABC段。由于后面不用再疊加其他曲線，而且其后斜率一直不變，所以就不用再串聯(lián)上述的凸電阻了。三段曲線對應(yīng)的電路都連接完成之后就把這三個“電阻”都并聯(lián)起來。由于并聯(lián)的總電流等于各支路電流之和。三個“電阻”的并聯(lián)就相當(dāng)于電流的疊加，即曲線在縱坐標(biāo)軸上的疊加。這就是所謂的并聯(lián)分解法。并聯(lián)之后，串上電壓源和電流表，測量出相應(yīng)

7、的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)畫出伏安特性曲線，發(fā)現(xiàn)曲線與要求的曲線的右半部分符合得很好。通過類比的方法。我們就可以很容易地等到曲線的左半部分。我們只需把上述右半部分的所有元件做垂直鏡像，再順次連接起來，然后將左右兩半并聯(lián)起來即可得到總的電路。最后我們將電壓表從-30V順次調(diào)到30V，每次記下測出的電流值，畫出伏安特性曲線，并與要求的伏安特性曲線對比。4） 實驗結(jié)果伏安特性（一）的電路圖為：伏安特性（一）實驗數(shù)據(jù)：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）要求圖與實驗圖的對比：伏安特性（二）的電路圖為：伏安特性（一）實驗數(shù)據(jù)：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）要求圖與實驗圖的對比：5） 結(jié)果的討論從實驗結(jié)果中

10、我們可以看出，無論是伏安特性（1）的曲線，還是伏安特性（2）的曲線，都與我們要求的曲線符合得很好。只要我們以凹電阻與凸電阻為基本模塊，通過并聯(lián)分解法和串聯(lián)分解法將其進行適當(dāng)?shù)钠唇?，即可得到我們想要的伏安特性曲線。五、 結(jié)論通過整個實驗過程，可以看出，我們可以人為地通過對二端電阻元件進行適當(dāng)?shù)倪B接，得到我們需要的非線性電阻電路。在實驗之前應(yīng)該熟練掌握凹凸電阻的連接方法，以及串聯(lián)分解法和并聯(lián)分解法。同時在實驗過程中要注意對各二端電阻元件參數(shù)的調(diào)試。由于二極管的正向也有0.3V0.7V的電壓降，會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，此時我們要通過對其他電阻元件參數(shù)的調(diào)試來逼近真值。例如對電阻的參數(shù)的調(diào)節(jié)。在實驗2中，斜線的斜率本應(yīng)為2，電阻則因為500歐姆。但通過測試發(fā)現(xiàn)，將電阻調(diào)節(jié)到470歐姆時，實驗值更接近要求值，所以我們就可以用470歐姆。如果還有比470歐姆更好的參數(shù)，我們也可以將470替換掉。本實驗的重點在于凹凸電阻的基本連接方法，串并聯(lián)分解法，以及對連接號電路的