電工電子綜合實驗.

1、電工電子綜合實驗（I） -非線性電阻電路的研究 班級：xx學號：xx 姓名：xx 非線性電阻電路的研究一、摘要：本次電工電子綜合實驗研究使用二極管、穩(wěn)壓管、穩(wěn)流管等其他必要元器件，設(shè)計具有所給i-u圖所示伏安特性的非線性電阻電路，對電路變量進行測量，并繪制i-u曲線，與原圖做出對比和分析。本次電路設(shè)計主要涉及串聯(lián)分解法和并聯(lián)分解法。此次通過線性元件設(shè)計非線性電阻電路，其實驗全程包括原理設(shè)計、線路連接、數(shù)據(jù)測量、結(jié)果分析等所有過程均未涉及電子元器件實物，全部通過計算機multisim11仿真軟件進行仿真模擬，通過線性元件設(shè)計非線性電阻電路，并觀察非線性電阻的伏安特性。2、 關(guān)鍵詞：非線性電阻，伏

2、安特性，Multisim11仿真，凹電阻，凸電阻，串聯(lián)分解法，并聯(lián)分解法。三、引言： 非線性系統(tǒng)的研究是當今科學研究領(lǐng)域的一個前沿課題，其涉及面廣，應用前景非常廣闊。理論上，一切實際電路嚴格說來都是非線性的。但從工程技術(shù)角度出發(fā)，有時可以不考慮元件的非線性，而認為它們是線形的。但實際電路中仍有許多元件的非線性特性不容忽略，它們的非線性程度較為明顯，因此會產(chǎn)生極大的誤差而且有時無法解釋電路中所發(fā)生的現(xiàn)象。對于一個一端口網(wǎng)絡，不管內(nèi)部組成，其端口電壓與電流的關(guān)系可以用uI平面的一條曲線表示。則是將其看成一個二端電阻元件。uI平面的曲線稱為伏安特性。各種單調(diào)分段線形的非線性元件電路的伏安特性可以用凹

3、電阻和凸電阻作為基本積木塊，綜合出各種所需的新元件。常用串聯(lián)分解法或并聯(lián)分解法進行綜合。四、正文：1非線形電阻電路的伏安特性（1）常用元件對于一個一端口網(wǎng)絡，不管內(nèi)部組成，其端口電壓與電流的關(guān)系可以用uI平面的一條曲線表示。則是將其看成一個二端電阻元件。uI平面的曲線稱為伏安特性。 如圖1為理想二極管的伏安特性曲線 ：圖1 常見的二端電阻元件有二極管、穩(wěn)壓管、穩(wěn)流管、電壓源、電流源和線形電阻。伏安特性如圖所示。運用這些元件串、并聯(lián)或混聯(lián)就可得到各種分段單調(diào)的伏安特性曲線。 圖2（2）凹電阻當兩個或兩個以上元件串聯(lián)時，電路的伏安特性圖上的電壓是各元件電壓之和。如圖3所示，是將圖1和圖2中電壓源、

4、線性電阻、理想二極管串聯(lián)組成。他是三個元件的伏安特性在I相等的情況下相加而成的。具有上述伏安特性的電阻，稱為凹電阻。其主要參數(shù)是Us和G=1/R，改變Us和G的值，就可以得到不同參數(shù)的凹電阻，其中電壓源也可以用穩(wěn)壓管代替。總的伏安特性形狀為凹形。 圖3 凹電阻（3）凸電阻與凹電阻對應，凸電阻是當兩個或以上元件并聯(lián)時，電流是各元件電流之和。是將圖1、2中電流源、電阻、理想二極管并聯(lián)組成。它是由三個元件的伏安特性在U相等的情況下相加而成的。具有上述伏安特性的電阻稱為凸電阻。主要參數(shù)為Is和R，改變Is和R的值就可以得到不同參數(shù)的凸電阻，其中電流源也可以用恒流管替代。總的伏安特性為凸形。 圖4 凸電

5、阻2、非線性電路元件的綜合 各種單調(diào)分段線形的非線性元件電路的伏安特性可以用凹電阻和凸電阻作為基本積木塊，綜合出各種所需的新元件。常用串聯(lián)分解法或并聯(lián)分解法進行綜合。（1） 串聯(lián)分解法。串聯(lián)分解法在伏安特性圖中以電流I軸為界來分解曲線。分解得分電路在相同的I軸坐標上U值相加得原電路。實際電路為分電路的串聯(lián)。 （2）并聯(lián)分解法。并聯(lián)分解法在伏安特性圖中以電壓U軸為界來分解曲線。分解得分電路在相同的U軸坐標上I值相加得原電路。實際電路為分電路的并聯(lián)。 實驗的主要內(nèi)容1、 用二極管、穩(wěn)壓管、穩(wěn)流管等元器件設(shè)計如圖5，圖6所示的伏安特性的非線性電阻電路。2、 測量所設(shè)計電路的伏安特性并作曲線，于圖5

6、圖6比較。-20 -15 -12 -66 12 15 20i(mA)U(V)0-3-6-9963i(mA)012-2-1 圖5 圖6觀察所給伏安特性曲線可以總結(jié)三條特點：（一）兩組伏安特性曲線全部都是由線段組成，不存在曲線部分。（二）兩組伏安特性曲線均關(guān)于原點呈中心對稱分布，為奇函數(shù)。（三）兩組伏安特性曲線均為電流i關(guān)于電壓u的單調(diào)增函數(shù)。（1）先對圖5所示伏安特性分解。首先對圖7所示的伏安特性曲線，將其按照串聯(lián)分解法進行分解（在電流等于2mA處進行分解）成兩部分，對這兩部分曲線可以化成兩個凸電阻串聯(lián)電路 ，具體分解過程如圖8所示， 圖7 圖8分析：在電壓為（0，1）之間的伏安特性曲線，對照圖

7、4凸電阻的圖像電流源is=0，斜率k=1/R=2mA/V,則R=500=0.5k.。在電壓大于1V時的伏安特性曲線對照圖4凸電阻的圖像電流源is=2mA,斜率k=1/R=0，則R=。綜上所述，可畫出圖8所示的兩個電路圖。 將圖8所示的電路串聯(lián)，就可以得到圖9所示的電路 圖9 對于圖8的電路，在參照圖4凸電阻的圖像，一個電路圖電流源is=0，；另一個電阻R=，故可以分別去除該電流源is和電阻R 。因此分別除去電流源Is和電阻R，就得到如圖10所示電路。即： 圖10 則對圖5所示的伏安特性曲線，就可以做如圖11所示的分解i(mA)012-2-1 =i(mA)u2(V)-1-2 串聯(lián) iUU+Is=

8、0R=0.5kIs=2mAR=-Is=0R=0.5kIs=2mAR= 圖11 分析：對照圖10，對于圖5所示的伏安特性曲線，可以分為U0和U0的部分也就是圖7的部分，其對應的電路也就是圖9，在U0的部分關(guān)于原點對稱，故圖9反轉(zhuǎn)就可得到，將兩部分對應的電路疊加即串聯(lián)，就可以得到圖11所示的電路。對圖11的電路最終可以化簡為圖12所示的電路。 圖12 圖12所示的電路也就是圖5伏安特性曲線的電路模型，運用multisim11仿真軟件可以構(gòu)造圖12電路進行仿真和分析。 （2）對圖6所示伏安特性曲線進行分析。 分析：參考圖5中的串聯(lián)分析法，是將圖5中的伏安特性曲線分解成U軸上下倆部分，然后將兩部分的對

9、應電路串聯(lián)就可以了。那么圖6中U軸上下兩個部分可用并聯(lián)兩個非線性電阻網(wǎng)絡來實現(xiàn)。由于該曲線關(guān)于i軸奇對稱，兩個非線性電阻網(wǎng)絡只是反相而已，所以只討論u軸以上的部分，對下半部分可以反轉(zhuǎn)得到，最后將兩部分并聯(lián)就可以了。 下面分析U軸上半部分的伏安特性曲線： 6 12 15 20i(mA)U(V)0963斜率為0.5斜率為1斜率為0.6 圖13 u(V)i(mA)06361215斜率為0.5斜率為1圖13可以分解為圖14中兩個電路串聯(lián)的形式。在電流I=6mA時以電流I軸為界，將其分解成兩部分，根據(jù)分解得分電路在相同的I軸坐標上U值相加得原電路可以計算圖14（b）的斜率為1.5，具體圖像如圖所示：i(

10、mA)u(V)06斜率為1.5 （串聯(lián)） （a） （b） 圖14 分析:對于（a）部分其伏安特性曲線在電流i6mA后的方程為U=5/3I-5 （6）對比（5）（6），則K=1.5，即圖b的斜率為1.5.對于圖14（a）的伏安特性，可以分解為圖15（a）（b）所示的兩個電路的并聯(lián)形式，u(V)i(mA)012斜率為0.5i(mA)u(V)60斜率為0.5 （并聯(lián)） （a） （b） 圖15 分析：（a）中的斜率為0.5，這與原電路相同，因為此時無疊加。對于（b）中的電路的斜率，根據(jù)并聯(lián)分解法分解得分電路在相同的U軸坐標上I值相加得原電路，參考圖14（b）中斜率的求法，可以很容易求出此時斜率為0.5

11、。（注：此時是在電壓相同的條件下，將電流進行疊加） 分析：圖14（b）的伏安特性曲線，對照圖4凸電阻的圖像，此時電流源is=6mA，斜率k=1/R=1.5,則R=2/3k=666.7,因此圖14（b）的伏安特性曲線所對應的電路為圖16所示 圖16 分析 ：根據(jù) 圖3凹電阻的圖像，圖15（a）的伏安特性曲線，此時的電壓源Us=6V，斜率k=1/R=0.5，則R=2k. 根據(jù) 圖3凹電阻的圖像，圖15（b）的伏安特性曲線，此時電壓源Us=12V，斜率k=1/R=0.5，則R=2k.將（a）（b）所對應的電路并聯(lián)就可以得到實際電路圖為圖17所示的電路圖 圖17 將圖16和圖17的電路圖是由串聯(lián)分解所

12、得，因此將兩個電路串聯(lián)就可以得到U軸上半部分即圖13伏安特性所對應的電路，在U軸下半部分所對應的電路是將此電路圖反轉(zhuǎn)，也就是反相電路，再將圖17和其對應的反向電路并聯(lián)就得到了圖6的伏安特性曲線所對應的電路，最終可以化簡為圖18所示的電路 圖18 圖18所示的電路也就是圖6伏安特性曲線的電路模型，運用multisim11仿真軟件可以構(gòu)造圖18電路進行仿真和分析。 Multisim仿真用Multisin11仿真軟件分別對圖12和圖18進行仿真，驗證它們的伏安特性曲線是否和圖5和圖6吻合。 （i）對圖12電路進行仿真，并記錄結(jié)果。 （1） 圖19所示為Multisim11仿真軟件的電路圖 圖19當-

13、1V11時，I1和I2相互抵銷，原圖可等效于V1和R1串聯(lián)；當V11V時，D1截止、D2導通，電流流經(jīng)I1和D2，i=2mA。 （2）電壓源輸入不同的電壓值，所得的電流記錄在下表。電源電壓u(V)電流表示數(shù)i（mA）電源電壓u(V)電流表示數(shù)i（mA） 000.10.19-0.1-0.190.20.38-0.2-0.380.30.57-0.3-0.570.40.759-0.4-0.7590.50.947-0.5-0.9470.61.133-0.6-1.1330.71.318-0.7-1.3180.81.499-0.8-1.4990.91.674-0.9-1.67411.837-1-1.8371

14、.11.961-1.1 -1.9611.21.998-1.2-1.9981.32-1.3-21.42-1.4-21.52-1.5-21.62-1.6-21.72-1.7-21.82-1.8-2 表1 （3）將數(shù)據(jù)整理成伏安特性曲線： 圖20將模擬所得伏安特性曲線圖結(jié)合數(shù)據(jù)表格與實驗要求所給曲線圖5進行比較，可以發(fā)現(xiàn)曲線符合性良好，說明此次線路設(shè)計和模擬已經(jīng)成功。 但在拐點處存在了相應誤差。從數(shù)據(jù)表格中可以看出，運用multisim11仿真所得的數(shù)據(jù)和理論值具有一定的差別，但是誤差不大，不影響實驗結(jié)果。（ii）對圖（18）的電路進行仿真，并記錄結(jié)果。 （1） 圖21所示為Multisim11仿真

15、軟件的電路圖 圖21 當-6Vu6V時可以使用電壓源與二極管串聯(lián)的方法，使其電壓大于6V時二極管導通，就形成了在這段區(qū)域內(nèi)電流i的值恒等于零的狀態(tài)。 當6V|u|12V時其設(shè)計方法與圖5類似，串聯(lián)與其斜率相等電導的電阻即可，原理在這里不再贅述。 當12V|u|15時的電路設(shè)計方法原理相同。(2)電壓源輸入不同的電壓值，所得的電流記錄在下表： 電壓 u/V電流i/mA電壓u/V電流i/mA電壓 u/V電流i/mA -22-9.784-7-0.52781.019-21-9.180-6-0.05791.512-20-8.590-5-0.00089102.006-19-7.986-4-0.000441

16、12.501-18-7.386-3-0.00044123.043-17-6.786-2-0.00022133.993-16-6.189-1-0.00011144.935-15-5.59600155.596-14-4.93510.000111166.189-13-3.99320.000222176.786-12-3.04330.000444187.386-11-2.50140.000444197.986-10-2.00650.000888208.590-9-1.51260.057219.180-8-1.01970.527229.784 表2（2） 將數(shù)據(jù)整理成伏安特性曲線： 圖22 將模擬所得伏

17、安特性曲線圖結(jié)合數(shù)據(jù)表格與實驗要求所給曲線進行比較，可以發(fā)現(xiàn)曲線符合性良好，說明此次線路設(shè)計和模擬已經(jīng)成功。但在某些點仍然與理論值有些偏差，但是誤差不大，可以認為這是在誤差允許的范圍內(nèi)，不影響對實驗結(jié)果的跑那段，可以認為圖22是正確的。5、 結(jié)論本實驗是對非線性電阻電路的一次實驗。實驗中，結(jié)合電路書本中非線性電阻的相關(guān)知識，并通過查找相關(guān)書籍資料，設(shè)計了相關(guān)的非線性電阻電路。并且通過實驗獲得了一般的伏安特性曲線為單值函數(shù)的非線性電阻電路設(shè)計的并聯(lián)分解法和串聯(lián)分解法，是對電路書本知識的延伸和探索。對于一個一端口網(wǎng)絡，不管內(nèi)部組成，其端口電壓與電流的關(guān)系可以用uI平面的一條曲線表示。則是將其看成一

18、個二端電阻元件。各種單調(diào)分段線形的非線性元件電路的伏安特性可以用凹電阻和凸電阻作為基本積木塊，綜合出各種所需的新元件。常用串聯(lián)分解法或并聯(lián)分解法進行綜合。實驗中，利用所學知識和Multisim11軟件的仿真，按實驗要求方向設(shè)計出了兩個非線性電阻電路。在對比實驗結(jié)果與要求的曲線時，發(fā)現(xiàn)雖然大體趨勢及圖形轉(zhuǎn)折點正確，但仍在數(shù)據(jù)上存在些許誤差：在實驗一結(jié)果中，電壓u=1V時，電流i=1.837mA而未穩(wěn)定在2mA，在電壓u1.3V之后，電流才穩(wěn)定在2mA。這與要求的結(jié)果是有所偏差的。在u=1V時，電流i的相對誤差E=8.15%。在實驗二的結(jié)果中，同一電壓下的電流值對比要求也有相似的偏差。實驗存在誤差

19、是因為二極管并沒有理想的正向?qū)ㄅc反向截止，也就是不能將正向時的二極管用導線替代也不能把反向時的二極管用斷路理解。另外，仿真中所用的電表均存在一定的內(nèi)阻，并不是理想電表，故也導致一定的誤差存在。但是，這些誤差都是在合理誤差范圍內(nèi)，不影響實驗結(jié)果。六、體會首先，這次綜合型電路實驗課題不完全是電路課程中已學習過內(nèi)容的重復，其實驗方式也和以往的實驗大不相同，這就要求我們要根據(jù)課題的需要自行查找資料，確定方案，最后完成。在電路課程的學習中我已經(jīng)接觸了一些有關(guān)非線性電路的知識，了解了一些非線性電路基本概念和計算方法如分段線性化法和小信號分析法，其中分段線性化法與本實驗的基本目的互逆，分段線性化法是將非線

20、性電阻的伏安特性曲線近似地用若干條直線段來代替，把非線性電路的求解過程分成幾個線性區(qū)域。本實驗是要求通過已給出的分段線性化的伏安特性曲線設(shè)計出對應的非線性電阻電路。在本實驗中，凹電阻和凸電阻基本積木塊的疊加占了主要的地位，將這些基本模塊串聯(lián)或并聯(lián)即可得到所需的新元件。在分析判斷凹電阻和凸電阻基本模塊的聯(lián)結(jié)方式時，用到了串聯(lián)分解法和并聯(lián)分解法，即通過對曲線斜率變化趨勢的分析一步步疊加出所需的曲線。這些分析與計算是本實驗中重要的環(huán)節(jié)之一。另一個重要的環(huán)節(jié)即為用計算機仿真線路以及實際實驗測量數(shù)據(jù)驗證實驗結(jié)果。這次實驗用到仿真軟件Multisim11，這種計算機輔助電子線路設(shè)計與仿真軟件采用圖形方式創(chuàng)建電路，使用虛擬儀器、儀表進行電路參