1、实验五 负阻抗变换器的研究一、实验目的1 了解负阻抗变换器的原理及其运放实现。2 通过负阻器加深对负电阻(阻抗) 特性的认识,掌握对含有负阻的电路的分析测量方法。二、实验原理负阻抗变换器(NIC) 是一种二端口器件，如图 51 所示。图 51通常，把端口 11处的 U1 和 I1 称为输入电压和输入电流，而把端口 22处的 U2 和-I2 称为输出电压和输出电流。 U1、I 1 和 U2、I 2 的指定参考方向如图 51 中所示。根据输入电压和电流与输出电压和电流的相互关系，负阻抗变换器可分为电流反向型(CNIC)和电压反向型(VNIC) 两种，对于 CNIC，有U1 =U2 I1=( )（
2、）K2I式中 K1 为正的实常数，称为电流增益。由上式可见，输出电压与输入电压相同，但实际输出电流-I 2 不仅大小与输入电流 I1 不同(为 I1 的 1/ K1 倍 )而且方向也相反。换言之，当输入电流的实际方向与它的参考方向一致时，输出电流的实际方向与它的参考方向相反(即和I2 的参考方向相同)。对于 VNIC，有U1= U2 I1 = 2式中 K2 是正的实常数，称为电压增益。由上式可见，输出电流-I 2 与输入电流 I1 相同，但输出电压 U2 不仅大小与输入电压 U1 不同(为 U1 的 1/K2 倍) 而且方向也相反。若在 NIC的输出端口 22接上负载 ZL，则有 U2= -I
3、2ZL。对于 CNIC，从输入端口 11看入的阻抗为 LinKIZ1211对于 VNIC，从输入端口 11看入的阻抗为 Lin ZIUIIU2221若倒过来，把负载 ZL 接在输入端口 11，则有 U1=-I1ZL，从输出端口 22看入，对于 CNIC，有Lin ZKIUKIZ1112对于 VNIC，有 Lin III 212122 综上所述，NIC 是这样一种二端口器件，它把接在一个端口的阻抗变换成另一端口的负阻抗。NIC 可用受控源来实现，图 52（a）和（b）分别给出了实现 CNIC 和 VNIC 的原理图。（a） (b)图 52实用上通常采用运算放大器来实现 NIC。本实验所用的 CN
4、IC 即由线性集成运算放大器(HA17741 型 )构成，在一定的电压、电流范围内具有良好的线性度，其原理电路如图 53 所示。图 53我们把选用的运算放大器作为理想运算放大器来处理，则根据理想运算放大器的以下性质：(1) 电压放大倍数 A，即运算放大器的同相、反相两个输入端如果不是直接接在理想电压源（或受控电压源） ，则两个输入端的电压相等（虚短路） 。(2) 输入阻抗 Zi ,即电入两个输入端的电流为零。应有=U2，I 3Z1= I4Z2 ，I 1=I3 和 I2=I4，因此，得1UI 1Z1=I2Z2 211IK式中，K 1=Z2/Z1 为电流增益。输入端口 11看入的阻抗为LinZKI
5、UZ1211本实验中，取 Z1=R1=1K，Z 2=R2=300，得0312RK当 ZL=RL 时 LinR31当 时ZjcL 1301LjCjKLin 其中， 2当 ZL=jL 时， 1301CjLKin 其中，C= 2三、实验内容1 测量负电阻的伏安特性，计算电流增益 K1 及等值负阻图 54(1) 接通电源，检查 15V 电压，当电源接入正常时方可进行实验。(2) 按图 54 接线。(3) 调节电阻箱使负载电阻 RL=500。 (4) CNIC 零点失调电压测量。输入短路，用数字万用表测量 R1 上的电压 UR1，记下 UR1 值，若过大则数据处理时要进行修正。(5) 改变稳压源输出电压
6、为正、负不同值时分别测量 U1 及 UR1 记入表 1。(6) RL=1K，重复上述实验，数据表格自行设计。由前面可知，流入运算放大器输入端的电流为零，故 I1 全部流过 R1 因此 I1 可由式算出。注意 UR1 的参考方向，当 UR1 的实际方向与参考方向相反时，测得的 UR11I读数为负，则 I1 也为负值，即 I1 的实际方向与参考方向相反。表 1 RL500U1(V) 3 2 1 -1 -2 -3UR1(V) I1= UR1/ R1(mA) R-= U1/ I1（）计算负电阻的平均值 ，负电阻的理论计算值njRja)_(1LLKR301_表 2 误差计算列表如下：RL() ()a (
7、)R_= ()aR(R_ )100%R5001000(7) 注意事项a CNIC 的输入电压绝对值U 13(V)，输入电流绝对值I 13(mA)。b 本实验也可采用正弦交流信号源。但应注意信号源内阻 RS8，因 CNIC 的 11端口为短路稳定端口，过高的信号源内阻会使 CNIC 不稳定。若 RS 超过 8，则可在信号源输出端口并联一个电阻箱调节电阻箱的阻值使等值输出电阻小于 8。应该指出，并联电阻将使信号源输出电压降低，当信号源内阻 RS 较大时，尤为严重，这一点要特别注意。2测定负内阻电压源的外特性(1) 按图 55 接线。若稳压电源的内阻近似为零，则 11端口的左边部分相当于电源电压为
8、Us 内阻为 Rs+ 的有源二端网络( 为 的熔断丝电阻)。根据 CNIC 的f1RfFUSE性质，22端口的左边电路也等效于一个有源二端网络，而且等效电源电压仍为Us，等效内阻 为负电阻。)()(11121 fSfSSK图 55换言之，22端口的左边电路就是一个具有负内阻的电压源。按照图 55 所示的电压、电流参考方向，有U2=U1=UsI 1(Rs+Rf1) 而I1 =K1 I2，得 (11fSsRK上式的等效电路如图 56（a）所示。(a) (b)图 56 通常，规定电源支路的电流参考方向与电压参考方向相反因此取 I2= I2，则 )()( 12111 fSSfSs RIKURKU上式的
9、等效电路如图 56(b)所示。此时，负载 RL 上的电流参考方向就和电压参考方向一致了。(2) 固定 Us=1V，R s=500。改变 RL 取 0范围内不同值时分别测量 U2 及 U记入表4。由公式 ，算出电流 I2(Rf2 为 的熔丝电阻) ，并绘出负内阻电272 fI 2FSE压源的实测外特性曲线和理论计算的外特性曲线 U2=f(I2)。(3) 注意事项： ，负内阻电压源可能不稳定，U s 变成负载被充电。解决办法之一0LR是迅速测量在 时的 U2 及 U。表 4 US=1V RS=500RL() 0 100 50K U2(V)U(V)（mA272 fRUI）3负阻振荡器在分析二阶电路时
10、可知，若 RLC 串联电路的电阻 R ，则该电路的冲激响应为CL2衰减振荡。如果在电路中串联一个负电阻 R_，则当 R+R_=0 时，电路的冲激响应为等幅振荡；当 R+R_0 时，电路的冲激响应为增幅振荡。根据这一原理便可方便地构成负阻振荡器。(1) 按图 57 接线。逐步增大 Rs，使电路总电阻为负值，借助于电路中的微小扰动便可建立振荡。由于负阻的作用振荡振幅逐渐增大，当振荡幅度达到所需值时，可减小 Rs 使电路总电阻为零以维持等幅振荡。如不减小 Rs，则振荡振幅将一直增大至运算放大器输出达到非线性为止。(2) 为了维持等幅振荡，必须严格使电路总电阻为零。即使如此，由于电路中总是存在某些扰动
11、，等幅振荡也很难长久稳定。所以，在实用的负阻振荡器中，一般都设有幅度负反馈电路，使电路中的正电阻(或负电阻) 随振荡振幅的增大而增大 (或减小)。实验中可以用一个 40W 日光灯镇流器(铁芯线圈) 替换电路中的电感 L，利用铁芯线圈中等值损耗电阻(由铁芯的磁滞损耗及涡流损耗所造成 )与线圈中振荡电流的非线性关系 (振荡电流幅度越大，等值损耗电阻越大)来稳定振荡。当 RS 增加时，振荡振幅随之增加，但损耗电阻也将增加，振荡在新的幅度下达到平衡。若 RS 不变，由于扰动使振荡振幅增加时，损耗电阻增加使振荡振幅回到原来平衡点。图 57(3) 实验中要求调节 使电路发生等幅振荡，记下 的值（精确到个位
12、） 。为了增加精确SRSR度，可以从不振荡到刚开始建立稳定的振荡波形记录一次 ，再从有振荡波形到无振S荡波形记录一次 ，然后求平均 。同时测出振荡频率和输出的峰峰值。SS4阻抗变换在 CNIC 输出端口 22上接电容 C，则从输入端口 11看入的等效阻抗为egLeg LjCKjjZK111可见等效阻抗呈电感性，等效电感 Leg 为Ceg22130式中 为 CNIC 的电流增益。K(1) 按图 58 接线。将函数发生器选定为正弦波输出，调节函数发生器输出电压，使U11V。改变函数发生器正弦输出频率 f，当 f 取为 200HZ900HZ 范围内不同值时分别测量 U1 及 UR1 记入表 5。应该
13、指出，若信号源内阻 RS 超过 8，可能产生高频振荡，可在信号源输出端并联一个电阻箱调节电阻箱的阻值使等值输出电阻小于 8。 图 58(2) 用双踪示波器观察 U1、I 1 的相位关系。从图 58 接线可知，实际观察的是 U1 及I 1的波形和相位关系。表f(Hz) 200 300 400 500 600 700 800 900 1(V) R1(V)I1= UR1/ R1(mA)Ieg= U1/ R1(mA)LZfHeg()2(21CK5负电阻与正电阻的串并联连接负电阻与正电阻串并联时的等效电阻的计算公式与只含有正电阻时的计算公式相同。当电路为线性定常电路时，对于串联连接，等效电阻为Reg=n
14、jmkR11)()_(对于并联连接，等效电阻为Reg= njmk11)()_(其中，n、m 分别为负电阻，正电阻的数目。图 59(1) 按图 59 接线。从接线图可知，CNIC 输出端口 22所接的负载电阻RL=R7+Rf2=300+ , 为 的熔断丝电阻可用数字万用表测出。从输入端口f2Rf2FUSE11看入的负电阻= (300+ )，约为 K 左右。)30(121fLK 13Rf21(2) 调节稳压电源使输出电压约为 1 伏，将串联电阻 由零逐步增加为不同值时，分别测串量电压 、U 1 及 UR1。注意：当 由零增加时，由于负电阻被正电阻逐渐相消，等i 串效电阻 ，越来越小，输入电流 I1
15、 将越来越大。为了使 CNIC 能正常工作，必须保证RegI1 不超过 3mA，必要时应随时降低稳压电源的输出电压。此外，CNIC 的 11端口 为短路稳定端口， 不宜过大，一般可使 500。串 R串(3) 固定 =500，在 11端口并联一个电阻箱( )，当 为不同值时，分别测量串 并 并U1、U及 UR1。注意：此时电流为总输入电流 I，应在 电阻 R 串 上测量电压 U。由公式 I=U算出总电流 I 。R串串联连接：R 串 () Ui(V) U1(V) UR1(V) I1= UR1/ R1(mA) R-= U1/ I1（）0100300500续： )(/1IURiegReg()计 算 串
16、Reg()并联连接 R并 ()U(V) U1(V) UR1(V) )( /mARI串)(/1UIR续： )(/1IUR)(/1IRegRReg()()计 算 并并eg()四、实验思考题1. 测量负电阻的伏安特性时，能否采用正弦交流信号来做，应该使用哪些仪器？并画出接线图，2. 正电阻和负电阻都是二端元件，两者有何不同？3. 戴维南定理是否适用于含负电阻的有源单口？4. 从负阻抗变换角度看,22 端口接正电容,从 11 端口看进去为负电容，如果 22 端口接正电感，11 端口看进去为负电感。从示波器观察相位关系时发现负电容即为正电感，那么负电感应当是正电容，这种说法正确吗？为什么？五、实验报告要求1 完成以上实验内容所规定的计算、曲线绘制和分析比较。2 总结对负阻抗变换器的认识。3 回答思考题。六、实验设备1 DJB3 型电路分析实验箱和电流反向型负阻抗变换器实验板 1 套2 双踪示波器 1 台3 DF1641D 型或 EE1641D 型函数发生器 1 台4 UT-56 数字万用表 1 台5 DF1731SB2A 型或 DF1733 型直流稳压稳流电源 1 台6 可变电阻箱 2 个7 可变电感箱 1 个8 可变电容箱 1 个
