回轉(zhuǎn)器的特性研究實驗報告

回轉(zhuǎn)器的特性研究實驗報告

實驗?zāi)康恼莆栈剞D(zhuǎn)器的端口特性及電路實現(xiàn)方法；掌握電路調(diào)試及參數(shù)控制的方法；通過對回轉(zhuǎn)器的研究掌握對二端口的研究方法。實驗說明回轉(zhuǎn)器是理想回轉(zhuǎn)器（gyrator）的簡稱。這個概念是B.D.H.Tellegen于1948年提出，六十年代由L.P.Huelsman及B.A.Sheei等人用運算放大器及晶體管電路實現(xiàn)?；剞D(zhuǎn)器是一種二端口網(wǎng)絡(luò)元件，具有把一個端口的電壓（或電流）回轉(zhuǎn)為另一個端口上的電流（或電壓）的能力。所以回轉(zhuǎn)器可以把電容回轉(zhuǎn)成電感，而這在工程上有重大意義，在微電子器件中電容易于集成，而電感難以集成，利用回轉(zhuǎn)器和電容來模擬電感可以解決這個問題，本次實驗研究將利用運算放大器完成回轉(zhuǎn)器的設(shè)計及性質(zhì)研究，利用運算放大器設(shè)計一個簡單的回轉(zhuǎn)器，并且測量器回轉(zhuǎn)參數(shù)。通過本次研究，可以使我們對回轉(zhuǎn)器的原理及應(yīng)用有更深一步的了解?；剞D(zhuǎn)器端口特性及實現(xiàn)電路回轉(zhuǎn)器是一種線性非互易的多端元件，其電路符號如圖1所示，可視為1個二端口。圖1回轉(zhuǎn)器的電路符號回轉(zhuǎn)器的端口電壓、電流關(guān)系可用下列方程表示：uu即ii其中g(shù)= r和g分別稱為回轉(zhuǎn)電阻、回轉(zhuǎn)電導(dǎo)。由以上各式可得該二端口網(wǎng)絡(luò)的Z參數(shù)矩陣及Y參數(shù)矩陣：Z=Y=由于Z、Y參數(shù)矩陣不對稱，所以回轉(zhuǎn)器為非互易元件。而對于功率：p因此回轉(zhuǎn)器為線性無源元件?；剞D(zhuǎn)器不僅僅是一種理想電路元件的模型，還可依據(jù)其不同的等效電路模型采用實際的不同電路器件加以實現(xiàn)。采用運算放大器實現(xiàn)回轉(zhuǎn)器的電路如圖2所示。圖2運算放大器構(gòu)成回轉(zhuǎn)器示意圖假設(shè)運算放大器是理想運算放大器，即輸入阻抗Zi為∞，流入兩個輸入端的電流為0，電壓放大倍數(shù)A為∞，兩個輸入端的電壓相等(虛短)，并且回轉(zhuǎn)器的輸入幅度不超過允許值，以保證運算放大器在線性區(qū)工作。則在圖2中由節(jié)點A、B、D、E的電壓方程及輸入端虛短可得：i令g=－1/R，得i1=gU2，i2=－gU1。因此，由圖2構(gòu)成的回轉(zhuǎn)器的Y參數(shù)矩陣為Y=回轉(zhuǎn)器回轉(zhuǎn)電阻的測量采用圖3的連接方法進行回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)電阻的測量實驗，回轉(zhuǎn)器利用圖2所示電路，由運算放大器和電阻構(gòu)成，其中電阻R=1kΩ。圖3測量回轉(zhuǎn)器回轉(zhuǎn)電阻的電路圖實驗中，Ui取定值，調(diào)整RL取不同的值可測得不同的U2和UR0，計算可得相應(yīng)的U1、I1和I2。設(shè)回轉(zhuǎn)器兩端的輸入電阻分別為R1和R2，且有R1=U1/I2，R2=－U2/I1，則回轉(zhuǎn)電阻R=(R1+R2)/2?；剞D(zhuǎn)器非互易性驗證實驗驗證回轉(zhuǎn)器的非互易性性質(zhì)采用圖4電路圖圖4回轉(zhuǎn)器非互易性驗證電路圖實驗時，測量U1、U2，如果二者不相等，說明回轉(zhuǎn)器是非互易的?；剞D(zhuǎn)器的負載特性圖1中，在回轉(zhuǎn)器2-2'端口接負載RL，從1-1'端口看輸入阻抗為Rin1=R2/RL，反之，負載阻抗RL在1-1'端口，從2-2'端口看輸入阻抗為Rin2=R2/RL。因此，回轉(zhuǎn)器的一個端口的阻抗是另一個端口的阻抗的倒數(shù)乘上一定比例常數(shù)，且與方向無關(guān)，即具有雙向性質(zhì)。利用這種性質(zhì)，回轉(zhuǎn)器可把1個電容元件“回轉(zhuǎn)”成1個電感元件，反之也成立。在2-2'端口接入電容C，在正弦穩(wěn)態(tài)條件下，則在1-1'端口輸入阻抗為Rin1=jωLeg，其中，Leg=R2C。實驗中回轉(zhuǎn)器的負載為電容，電路如圖5所示。圖5回轉(zhuǎn)器的負載為電容的電路圖回轉(zhuǎn)器電路的RLC并聯(lián)諧振通常RLC并聯(lián)諧振由電阻、電容和電感等元件并聯(lián)構(gòu)成。由回轉(zhuǎn)器的特性實驗可知，回轉(zhuǎn)器和電容可以模擬電感，因此，由回轉(zhuǎn)器和兩個電容元件可以構(gòu)成RLC并聯(lián)諧振實驗，實驗電路如圖6所示。圖6含回轉(zhuǎn)器的RLC并聯(lián)諧振電路圖由并聯(lián)諧振定義可得諧振頻率f其中L回轉(zhuǎn)器級聯(lián)構(gòu)成變壓器當兩個回轉(zhuǎn)器級聯(lián)起來，如圖7所示，設(shè)這兩個回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)電導(dǎo)分別為g1和g2，則整個級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)輸參數(shù)為:T圖7兩個回轉(zhuǎn)器級聯(lián)組圖理想變壓器原理模型如圖8所示，其傳輸參數(shù)為:T圖8理想變壓器模型圖比較兩傳輸參數(shù)矩陣可得到，變比n=g2/g1，選擇合適的g1和g2可得到不同的變比n。實驗任務(wù)預(yù)習任務(wù)根據(jù)實驗說明2，自行設(shè)計測量回轉(zhuǎn)器回轉(zhuǎn)電阻的實驗線路圖，已知Ui為2V的直流電源，RL為1kΩ。電路設(shè)計如下：圖9測量回轉(zhuǎn)器回轉(zhuǎn)電阻的電路圖根據(jù)實驗說明3，自行設(shè)計驗證回轉(zhuǎn)器非互易性的實驗線路圖。計算U1和U2的理論值。實驗線路如圖10、11所示。圖10回轉(zhuǎn)器非互易性驗證電路圖一圖11回轉(zhuǎn)器非互易性驗證電路圖二根據(jù)圖4(a)，由回轉(zhuǎn)器的特性可得II再根據(jù)輸入輸出回路的特性，有IU解得U同樣的方法可求得圖4(b)中U U1和U2的理論值不相等，說明回轉(zhuǎn)器不具有互易性。根據(jù)實驗說明4，自行設(shè)計研究回轉(zhuǎn)器負載特性的實驗線路圖，負載采用1μF的電容，電源采用正弦電源，R0取1kΩ。實驗線路如圖12所示圖12回轉(zhuǎn)器的負載為電容的電路圖根據(jù)實驗說明5，自行設(shè)計回轉(zhuǎn)器電路的RLC并聯(lián)諧振實驗線路圖，電源采用有效值為1V正弦電源，R0取1kΩ，C1取1μF，C2取1μF，計算理論諧振頻率。實驗線路如圖13所示。圖13含回轉(zhuǎn)器的RLC并聯(lián)諧振電路圖根據(jù)回轉(zhuǎn)器的特性，可知等效的電感為L所以理論諧振頻率為f根據(jù)實驗說明6，自行設(shè)計回轉(zhuǎn)器構(gòu)成變壓器的實驗線路圖，選擇g1=1/1000，g2=1/100，計算所需的電路參數(shù)和此時的等效變壓比n。電路如圖14所示。此時變比n=10圖14回轉(zhuǎn)器級聯(lián)構(gòu)成變壓器電路圖實驗任務(wù)檢查實驗所用各運算放大器的性能?？衫秒妷焊S器檢查。按照預(yù)習時設(shè)計的線路圖連接電路，構(gòu)成回轉(zhuǎn)器，并測其回轉(zhuǎn)電阻。驗證回轉(zhuǎn)器的非互易性，測量U1和U2，比較它們是否相等。研究回轉(zhuǎn)器的負載特性，負載采用1μF的電容，驗證回轉(zhuǎn)后等效負載的感性。調(diào)節(jié)電源頻率，測出3組阻抗值，計算模擬電感值。利用電容、電阻和回轉(zhuǎn)器構(gòu)成RLC并聯(lián)諧振，電源采用有效值為1V的正弦電源，測量電路的幅頻特性，繪制幅頻特性曲線并測定諧振頻率，與理論值進行比較。選作：用兩個回轉(zhuǎn)器級聯(lián)構(gòu)成變壓器，選擇合適的電路參數(shù)使得選擇g1=1/1000，g2=1/100，測量U1和U2，計算變壓比。實驗設(shè)備電容箱若干電阻器若干面包板1個運算放大器4只1kΩ,2kΩ,3kΩ電阻若干信號發(fā)生器1臺雙蹤示波器1臺數(shù)字萬用表1臺實驗數(shù)據(jù)分析與處理回轉(zhuǎn)電阻的測量測得U則此時可得U因此R故回轉(zhuǎn)電阻R=R1+R22回轉(zhuǎn)器非互易性的驗證測得U1由于U1回轉(zhuǎn)器的負載特性由于輸出電壓的相位超前于輸入電壓，因此可知負載為感性，可整理得頻率/Hz200400800U0.9991.0001.000U0.5830.3470.172U0.7840.9310.980(I0.5830.3470.172(L1.0701.0681.134因此測出的負載電感均值L測=1.070+1.068+1.134RLC并聯(lián)諧振的研究實驗數(shù)據(jù)如下：f/Hz50100130160200300400U0.3170.7310.9300.9980.9080.6040.425根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出幅頻特性曲線如下圖由圖可看出，諧振頻率f0≈160Hz，與理論值（選做）構(gòu)成變壓器選取r1=1000Ω，r2U3.002.011.00U0.2950.1930.092n10.1710.3610.87因此變壓比的均值n=10.17+10.36+10.873=10.47，與理論值思考題實驗中所得結(jié)果與理論值略有不同，可能是什么原因造成的？答：首先可能是由于運算放大器不是理想運放造成的，除此之外，還可能是因為構(gòu)成回轉(zhuǎn)器的各電阻并不絕對相等，對回轉(zhuǎn)器的特性有一定的影響。對回轉(zhuǎn)器級聯(lián)構(gòu)成變壓器的實驗進行仿真，觀察負載電阻的變化對電路特性的影響，說明回轉(zhuǎn)器電路的穩(wěn)定性如何？答：仿真電路如圖14所示。當負載為100Ω時，電路正常；緩慢增大負載，當負載增大到123.5Ω時，開始幾秒內(nèi)波形正常，但在輸出四個周期之后，輸出電壓會呈現(xiàn)指數(shù)式的增長，即電路不穩(wěn)定。說明對于實際的回轉(zhuǎn)器，其穩(wěn)定性容易受到外界條件的影響。實驗結(jié)論