542负阻抗变换器及其应用.docVIP

负阻抗变换器及其应用 一、实验目的 1．了解负阻抗变换器的组成原理。 2．学习测试负阻变换器的特性。 3．进一步研究二阶RLC电路的动态响应，扩展负阻抗变换器的应用。 二、原理说明 1．用运算放大器组成电流倒置型负阻抗变换器的原理。 图6-4-2-1（a）虚线框所示的电路是一个用运算放大器组成的电流倒置型负阻抗变换器，6-4-2-1（b）、(c)为其等效电路及电路符号。 由于运放“+”端和“—”端之间为虚短路，且运放的输出阻抗为无穷大，故有： 即 而运放的输出电压为： 得： 又因： ， 得： 根据图6-4-2-1所示的与的参考方向可知： 因此电路的输入阻抗： 称为电流增益 负阻抗变换器的电压电流及阻抗关系如下： ，， （a） 图6-4-2-1 电流倒置型负阻抗变换器 可见，这个电路的输入阻抗的负值，也就是说，当负载端接入任意一个无源阻抗时，在激励端就得到一个负的阻抗元件，简称负阻元件。 在本装置中令 ，则， （1）若为纯电阻，则称为负电阻，如图6-4-2-2（a）所示 图6-4-2-2 纯负电阻电路 纯负电阻伏安特性是一条通过坐标原点且处于2、4象限的直线，如图6-4-2-2（b）所示，当输入电压u1为正弦信号时，输入电流y与电压u1相位相反，如图6-4-2-2（c）所示。 （2）若为纯电容，即： 则：，（这里） （3）若为纯电感，即： 则：，（这里） 2．负阻抗变换元件（-Z）与普通的无源R、L、C元件Z’作串、并联时，其等值阻抗的计算方法与无源元件的串、并联计算公式相同，即： Z串 Z并 3．应用负阻抗变换器，可以构成一个具有负内阻的电压源，其电路如图6-4-2-3(a)所示。 端为等效负内阻电压源的输出端。由于运放的“+”、“-”端之间为虚短路，即 由图示的和的参考方向及电路参数，可知： 故输出电压： 可见，该电压源的内阻等于（）；它的输出端电压随输出电流的增加而增加，具有负电阻电压源的等效电路伏安特性曲线如图6-4-2—2(b)、（c）所示。 4．负阻抗变换器能够起到逆变阻抗的作用，即可实现容性阻抗和感性阻抗的互换。由RC元件来模拟电感器的电路如图6-4-2-4所示，电路输入端的等效阻抗可视为电阻元件R与负阻元件相并联的结果，即： 图6-4-2-3 具有负内阻的电压源 对输入端而言，电路等效为一个线性有损耗电感器，等值电感L=RC。同样，若将图中的电容器换成电感器L，电路就等效为一个线性有损耗电容器，等值电容。 5．研究二阶动态电路（RLC串联电路）的方波激励时，响应类型只能观察到过阻尼，临界和欠阻尼三种形式。若采用如图6-4-2-5（a）所示的具有负内阻的方波电源作为激励源，由于电源负内阻（）可以和电感器的电阻相抵消（等效电路如图6-4-2-5（b）所示），则响应类型可出现RLC串联总电阻为零的无阻尼等幅振荡和总电阻小于零的负阻尼发散型振荡情况，6-4-2-5（c）、(d)所示。 图6-4-2-4 RC元件模拟电感器的电路 图6-4-2-5 具有负内阻的方波电源作为激励源 三、实验设备及器件 序号 名 称 型号与规格 数量 备注 1 可调直流稳压电源 0~30V 1 2 函数信号发生器 1 3 直流数字电压表 1 4 直流数字毫安表 1 5 双踪示波器 1 6 交流豪伏表 1 7 元件箱 1 8 可调电阻箱 0~99999.9Ω 1 9 负阻抗变换器实验线路板 1 四、实验内容 1．用直流电压表、毫安表测量负电阻阻值 （1）实验线路如图6-4-2-6，为直流稳压电源，为可调电阻箱。将调至1.5V。 图6-4-2-6 测量负电阻阻值的实验线路 （2）先断开开关K（即不接）的阻值，改变可调电阻R的阻值,测出相应的、值，计算负电阻值，记录之。 表6-4-2-1 时的负电阻阻值 200 300 400 500 600 700 800 900 等效电阻 理论值 测量值 （3）取=，再接上阻值，并改变的值，测出相应的、值，计算负电阻阻值，记录之。 =1.5V 表6-4-2-2 =时的负电阻阻值 ∞ 5K 1K 700 500 300 150 120 等效电阻 理论值 计算值 2．用示波器观察正弦激励下负电阻元件上的、波形 参照图6-4-2-7，接激励源的输出，调定在有效为1V，频率为1KHz。取。双踪示波器的公共端接在0点，探头接a点（采集电压信号），探头接b点（采集电流信号，即取上的电压，它与电流成正比）。观察、波形间相位关系，描绘之。