負(fù)阻抗變換器實(shí)驗(yàn)教程

1、負(fù)阻抗變換器實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)和了解負(fù)阻抗變換器的特性和應(yīng)用。研究如何用運(yùn)算放大器構(gòu)成負(fù)阻抗變換器。了解有源器件在線性范圍內(nèi)工作的條件。實(shí)驗(yàn)原理負(fù)轉(zhuǎn)換器是一種雙口器件，共有兩種類(lèi)型：電流反向負(fù)轉(zhuǎn)換器（INC）和電壓反向負(fù)轉(zhuǎn)換器（VNC）。1212iiuu 電流反向負(fù)轉(zhuǎn)換器，如圖5.15.1（a）所示，其電壓電流關(guān)系為：圖5.15.1（a）電流反向負(fù)轉(zhuǎn)換器 圖5.15.1（b）電壓反向負(fù)轉(zhuǎn)換器 上式表明，流入與流出電流反向負(fù)轉(zhuǎn)換

2、器的電流方向相反，輸入電壓與輸出電壓極性相同。即電流反向負(fù)轉(zhuǎn)換器能轉(zhuǎn)換電流的方向并保持電壓的極性不變。同理，電壓反向負(fù)轉(zhuǎn)換器，如圖5.15.1（b）所示，其電壓電流關(guān)系為： 1212iiuu 由上式可知，電壓反向負(fù)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是，轉(zhuǎn)換輸入電壓的極性，而保持電流的方向不變。 負(fù)阻抗變換器是用一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流反向型負(fù)阻抗變換器，電路圖如圖5.15.2虛線部分所示。圖5.15.2負(fù)阻抗變換器 運(yùn)算放大器輸出端電壓 ，再根據(jù)理想運(yùn)算放大器，同相輸入端“”和反相輸入端“”之間的“虛短”特性，可得 ，即 ；根據(jù)“虛斷”特性，可得 ， 。帶入上式可得 ，根據(jù)負(fù)載Z1上的端電壓和電流的參考方向，有 ，

3、因此從輸入端U1看入的輸入阻抗 。0130240uui Rui Rpnuu12uu13ii24ii12ii.221UIZ .121.12inUUZZII 因此，U2端的負(fù)載阻抗Z1通過(guò)負(fù)阻抗變換器，在U1端可等效為負(fù)阻抗（Z1），即從輸入端的特性而言，上述端口相當(dāng)于一個(gè)負(fù)阻抗元件。例如，當(dāng)負(fù)載為電阻R，則從輸入端看入，相當(dāng)于一個(gè)負(fù)電阻（R）。其電路伏安特性如圖5.15.3所示。 圖5.15.3 負(fù)電阻的ui特性如果在圖5.15.2所示具有負(fù)阻抗變換器的電路中，若負(fù)載Z1為R與C串聯(lián)連接的容性負(fù)載，并在輸入端并聯(lián)電阻R，則該電路的輸入阻抗可等值為R與L串聯(lián)的感性負(fù)載，即：令所以，等值電感為：2e

4、qLR C221in11()()11()()RR RRRZj Cj CZRj R CRZRRj Cj C eqinZRj L 同理，若負(fù)載為電阻R與電感L串聯(lián)連接，并在輸入端并聯(lián)電阻 R，則該電路的輸入阻抗 Zin可等值為電阻 R與電容 C串聯(lián)的阻抗，等值電容 。研究RLC串聯(lián)電路的方波響應(yīng)，由于實(shí)際電感元件本身存在直流電阻，因此，響應(yīng)類(lèi)型只能觀察到有阻尼的情況。圖5.15.4是利用具有負(fù)電阻的方波電源作為激勵(lì)，由于電源的負(fù)電阻可以和電感器的電阻相抵消，因此，響應(yīng)類(lèi)型還可以出現(xiàn)無(wú)阻尼等幅振蕩和負(fù)阻尼發(fā)散振蕩的情況。2eq/CL R圖5.15.4 RLC串聯(lián)階躍響應(yīng)電路 1112()1()()t

5、ssdiRiLi dti RudtC12ii2122s1()tsdiRR iLi dtudtC 經(jīng)負(fù)阻抗轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后， RS與R兩個(gè)電阻一正一負(fù)，性質(zhì)相反。因此，響應(yīng)類(lèi)型還可以出現(xiàn)無(wú)阻尼等幅振蕩和負(fù)阻尼發(fā)散振蕩的情況。 RSR減幅振蕩。 為了使得二階瞬態(tài)重復(fù)，在示波器上得到穩(wěn)定的波形，采用了方波輸入的方法，因?yàn)楣β屎瘮?shù)發(fā)生器的接地端和示波器的接地端都已接在了插座的接地端上，在觀察電容上的電壓信號(hào)時(shí)所以必須電容的一端接到功率函數(shù)發(fā)生器的負(fù)端，即接地端。若要觀察電阻上的電壓信號(hào)時(shí)，（它與電流信號(hào)的波形相同），則必須交換電容和電阻的位置，將電阻的一端接到功率函數(shù)發(fā)生器的負(fù)端。實(shí)驗(yàn)儀器 數(shù)字示波器 1

6、臺(tái) 功率函數(shù)發(fā)生器1臺(tái) 直流穩(wěn)壓電源1臺(tái) 可調(diào)電阻箱1只 可調(diào)電容箱1只 數(shù)字萬(wàn)用表1只 直流毫安表1只 交流毫伏表1只數(shù)字示波器功率函數(shù)發(fā)生器直流穩(wěn)壓電源可調(diào)電阻箱可調(diào)電容箱數(shù)字萬(wàn)用表直流毫安表交流毫伏表實(shí)驗(yàn)步驟電源輸出電壓固定，改變負(fù)載，讀電壓、電流，計(jì)算負(fù)阻抗。按圖5.15.2所示電路接線，電源電壓固定為8V左右，R0為51 ，負(fù)載Z1用電阻箱分別取1k、1.2K 、1.4 K、1.6 K、1.8K、2 K。分別記錄以上幾種情況下的電壓表讀數(shù)u1、電流表讀數(shù)i1。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表1中，算出等值負(fù)阻抗，并與理論值相比較。 Z1 / 100012001400160018002000u1 /

7、Vi1 / mA等效電阻 理論值測(cè)量值/ 負(fù)載固定，改變輸入電壓u1，測(cè)取負(fù)阻抗，伏安特性曲線； 按圖5.15.2所示電路接線，R0為51 ，負(fù)載Z1取1k，在1V8V范圍內(nèi)，改變電源電壓。依次取5個(gè)工作點(diǎn)，分別記錄以上幾種情況下的電壓表、電流表讀數(shù)。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表1中。u1 / Vi1 / mA等效電阻/理論值1000測(cè)量值阻抗逆變作用的觀察與測(cè)量。 按圖5.15.5所示電路接線，為采樣電阻，阻值取1k，R0為51，正弦信號(hào)輸入，頻率大致取3kHz，幅值取7V8V左右，電阻R取1k，電容C取0.1F。用雙線示波器觀察輸入端的電壓與電流的波形及相位關(guān)系。實(shí)驗(yàn)報(bào)告對(duì)任務(wù)13，按要求列出數(shù)據(jù)表格

8、，測(cè)量、記錄并計(jì)算相應(yīng)的量，作出特性曲線，記錄觀察的波形，并與理論值相比較。對(duì)任務(wù)4，記下三種情況下的電阻值，記錄三種情況下的波形，并從理論上分析討論。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象負(fù)阻抗轉(zhuǎn)換器的負(fù)載為電阻R時(shí)，從輸入端看入，相當(dāng)于一個(gè)負(fù)電阻（R）。即當(dāng)輸入電流增大時(shí)，其端口電壓下降；反之，端口電壓增大。負(fù)阻抗轉(zhuǎn)換器的負(fù)載為R與C串聯(lián)連接的容性負(fù)載，并在輸入端并聯(lián)電阻R，則該電路的輸入阻抗可等值為R與L串聯(lián)的感性負(fù)載，等值電感 。用示波器觀察波形：電壓相位超前電流相位。2eqLR C實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析用無(wú)源元件能實(shí)現(xiàn)線性定常的負(fù)阻嗎？答：不能。負(fù)阻抗元件在工作時(shí)是吸收還是發(fā)出功率？它的能量從何而來(lái)？答：負(fù)阻抗元件在工作

9、時(shí)是發(fā)出功率的，它的能量 由運(yùn)算放大器提供。實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí) 預(yù)習(xí)知識(shí)及要求 相關(guān)知識(shí)點(diǎn) 注意事項(xiàng)預(yù)習(xí)要求預(yù)習(xí)運(yùn)算放大器的工作原理。預(yù)習(xí)用運(yùn)算放大器構(gòu)成負(fù)阻抗變換器的基本原理。預(yù)習(xí)二階電路的構(gòu)成及其特性。相關(guān)知識(shí)點(diǎn)含運(yùn)算放大器的電阻電路負(fù)阻抗變換器二階電路注意事項(xiàng)負(fù)阻抗變換器的電源極性及工作電壓不能接錯(cuò)，以免損壞運(yùn)算放大器。為保證精度，兩個(gè)R0分別用一個(gè)固定電阻和一個(gè)電阻箱來(lái)實(shí)現(xiàn)其阻值相等。 注意負(fù)阻抗變換器輸入、輸出端電流流向，電流表不要接反。信號(hào)發(fā)生器的輸出不能太大，應(yīng)由小到大，以免運(yùn)算放大器不能正常工作，甚至損壞。用示波器觀察時(shí)，兩路輸入信號(hào)要共地。實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊弧?shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)和

10、了解負(fù)阻抗變換器的特性和應(yīng)用。研究如何用運(yùn)算放大器構(gòu)成負(fù)阻抗變換器。1.了解有源器件在線性范圍內(nèi)工作的條件。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)量負(fù)阻阻值。測(cè)量負(fù)阻的伏安特性。1.用示波器觀察電容經(jīng)阻抗逆變后的電壓和電流波形。三、實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備三、實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備有源電路實(shí)驗(yàn)板1塊數(shù)字示波器1臺(tái)信號(hào)發(fā)生器1臺(tái)直流穩(wěn)壓電源 1臺(tái)電阻箱1只電容箱1只數(shù)字萬(wàn)用表1只直流毫安表1只四、實(shí)驗(yàn)用詳細(xì)電路圖四、實(shí)驗(yàn)用詳細(xì)電路圖1負(fù)阻抗變換器2.阻抗逆變作用觀察與測(cè)量電路五、實(shí)驗(yàn)原理及計(jì)算公式：五、實(shí)驗(yàn)原理及計(jì)算公式：負(fù)阻抗變換器是用一塊運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流反向型負(fù)阻抗變換器。1. 其電路圖如圖5.15.2虛線部分所示。

11、圖5.15.2 負(fù)阻抗變換器 運(yùn)算放大器輸出端電壓 ，再根據(jù)理想運(yùn)算放大器，同相輸入端“”和反相輸入端“”之間的“虛短”特性，可得 ，即 ；根據(jù)“虛斷”特性，可得 ， 。帶入上式可得， 。 根據(jù)負(fù)載Z1上的端電壓和電流的參考方向，有 ，因此從輸入端U1看入的輸入阻抗： 。 0130240uui Rui Rpnuu12uu13ii24ii12ii.221UIZ .121.12inUUZZII 若負(fù)載Z1為R與C串聯(lián)連接的容性負(fù)載，并在輸入端并聯(lián)電阻R，則該電路的輸入阻抗可等值為R與L串聯(lián)的感性負(fù)載，等值電感 。 這是因?yàn)椋?fù)載阻抗Z1經(jīng)負(fù)阻抗變換器變換成（Z1），輸入阻抗Zin可看作R與負(fù)阻抗（

12、Z1）的并聯(lián)等值阻抗，即2eqLR C22111()()11()()inRR RRRZj Cj CZRj R CRZRRj Cj C 令 ， 故其等值電感 。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、計(jì)算六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、計(jì)算電壓固定，改變負(fù)載，讀電壓、電流，計(jì)算負(fù)阻抗； 按圖接線，電源電壓固定為8V左右，R0為51 ，負(fù)載Z1用電阻箱分別取1k、1.2 k、1.4k、1.6k、1.8k、2k。分別記錄以上幾種情況下的電壓表讀數(shù)u1、電流表讀數(shù)i1。實(shí)驗(yàn)后，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表1中，計(jì)算等值負(fù)阻抗，并與理論值相比較。ineqZRj L2eqLR CZ1 / 100012001400160018002000U1 / V8.

13、0568.0538.0518.0478.0458.043I1/ mA8.26.825.855.124.554.1等效電阻（）理論值100012001400160018002000測(cè)量值982.41180.81376.21571.71768.11961.7表5.15.1 負(fù)阻抗測(cè)試 2.負(fù)載固定，改變電壓，測(cè)取負(fù)阻抗，伏安特性曲線；按圖接線，R0為51 ，負(fù)載Z1取1k，在1V8V范圍內(nèi)，改變電源電壓。依次取5個(gè)工作點(diǎn)，分別記錄以上幾種情況下的電壓表、電流表讀數(shù)。實(shí)驗(yàn)后，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表1中。繪出此種情況下的負(fù)阻抗伏安特性曲線，并與理論伏安特性曲線相比較。表5.15.2 負(fù)阻抗伏安特性U1 / V1.0082.0013.0064.0055.019I1 / mA1.1