电工电子综合实验.doc

电工电子综合实验
运算放大器电路应用（二）
——旋转器设计

南京理工大学
许明达
学号：1004210446

运算放大器电路应用（二）——旋转器设计

摘要
利用负阻抗模型和T形电阻网络实现旋转器的顺时针旋转。旋转器是运算放大器的重要应用之一。旋转器以运算放大器为基础，通过特定的电路连接方式，可实现将线性或非线性元件在其u-i平面内旋转一个角度，从而产生一个新的电路元件。设计一个旋转角θ=-35°（顺时针），定标系数R=1000欧的旋转器电路，用此电路实现负载伏安特性的转变，然后分别用线性电阻和非线性元件（二极管）做负载，测量并计算旋转前后的伏安特性“角度”，查看是否旋转了设计的角度，并作旋转前后的伏安特性曲线图。

关键字
电路实验设计，运算放大器，旋转器，负阻抗，Multisisim11.0软件，伏安特性曲线，T形电阻网络。

引言
主要目的：研究、设计一个电路，用此电路实现负载伏安特性曲线图旋转一个角度。
具体实验：自行学习相关知识点，查阅资料，并与老师交流。旋转器实际是一种使旋转前后的伏安特性曲线旋转一定角度的电路，本实验利用运算放大器构造T型电阻网络来实现旋转器网络。设计一个旋转角为-35度，顺时针逆旋转，定标系数R=1000欧的旋转器电路。并采用Multisisim软件仿真技术，分别用线性元件（电阻）和非线性元件（二极管）做负载，测量并计算旋转前后的伏安特性“角度”，察看是否“旋转”了设计的角度。
理论基础：1负阻抗变换器（NIC）是一种二端口器件，把接在一个端口的阻抗变换成另一端口的负阻抗，一般由一个有源二端网络形成一个等值的线性负阻抗，网络可由线性集成电路或晶体管等元器件组成；
2理想运算放大器特性：1）电压放大倍数A为无穷大；2）电阻为无穷大；电阻为零的特性。

正文
一．实验设备与材料：Multisim11软件
二．实验原理：
旋转器电路原理：
旋转器可以将线性或非线性元件在u—i平面旋转一个角度，产生新的电路元件。

+

-
+
-
+
-
i
1
i
2

2
U
2

i

旋转器符号
i

U2端
U1端
P
r

0

旋转器“旋转”前后的u-i曲线

设曲线U1端上的任一点P的坐标为，离原点距离为r，则有：
（1）
点P反时针旋转了后到点，坐标为：
(2)
将（1）代入（2）中，得
（3）
其中（3）式中的中的无量纲，是电阻的量纲，因而要乘一个定标系数R。R的大小取决于u-i曲线中电压和电流的单位。同理中的无量纲，而是电导的量纲，因而要除一个定标系数R，则（3）式成为：
（4）
在（4）式中定义，因此有T参数方程：
（5）
用一个T型的二端口电阻网络来实现:

T电阻网络

其中，定义,因此有T参数方程

对应T参数的三个电阻分别是

（6）
其中若认为逆时针转角的为负的，则知R1,R2为正的，而R3是负的。
综上实验原理，根据实验要求，通过计算，我确定了该实验顺时针旋转35度旋转器的各项参数，以及设计了如下实验线路。如图：

三．实验设计图仿真图

旋转器参数：如图，由于选取的旋转角为-35度，所以通过计算我得出，在定标电阻R=1k欧姆时，R1=R2=315.298Ω，R3=1743.466Ω

四．实验过程：
1.加入负载测试旋转器
1）在旋转器中加入R=1kΩ的电阻作为负载，如图

使用的电阻作为负载，按图连接线路，改变电源电压，读取电流表和电压表读数，测量并计算旋转前后的伏安特性“角度”，察看是否“旋转了设计的角度，并作“旋转“前后的伏安特性曲线图。

改变电压源电压，测得数据如下(U1,I1表示旋转后的数据,U2,I2表示旋转前的数据)
U1/v12345678910I1/mA0.1750.3510.5270.7030.8791.0551.2321.4081.5831.760
U2/v0.7181.4362.1552.8733.5914.3095.0275.7456.4637.181I2/mA0.7181.4362.1542.8723.5904.3085.0265.7446.4637.181R/kΩ1111111111角度/。9.9269.9549.9639.9679.9709.9729.9819.9819.9759.981旋转角度/。35.07435.04635.03735.03335.0335.02835.01935.01935.02535.019
伏安特性曲线如下：
旋转前：

旋转后：

实验一分析：通过计算得旋转角度的平均值为-35.033度，则相对误差
（35.033-35）/35=0.09%<1%
则验证了在负载是1k的电阻时，旋转器将原电路中的伏安特性