1、 有关负抗阻变换器和回转器的研究（一）负阻抗变换器1. 实验目的1. 了解负阻抗变换器（NIC）的原理.2. 通过实验研究NIC的性能，并应用NIC性能作为负内阻电源研究其输出特性，还将这负电阻应用到R LC 串联电路中,从中观察到除过阻尼、临界阻尼、负阻尼外的无阻尼等幅振荡和总电阻小于零的负阻尼发散震荡.2.总体设计方案1.负阻抗变换器的原理负转换器是一种二端口网络，通常，把一端口处的U 1和I 1称为输入电压和输入电流，而把另一端口处的U 2和-I 2称为输出电压和输出电流。U 1、I 1和U 2、I 2的指定参考方向如下图中所示。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
2、可分为电流反向型(INIC) 和电压反向型(VNIC)两种， 电路图分别如下图的（a）（b）所示：图中 U1 和 I1 称为输入电压和输入电流,U 2 和-I 2 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 1-1、1-2 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(INIC)和电压反向型(VNIC) 两种，对于 INIC，有 U1 =U2 ；I 1=( )（ ）式中 K1 为正的实常K2I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-I2 不仅大小与输入电流 I1 不同( 为 I1 的 1/ K1
3、 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 ；I 1 = 式中 K22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= -I2ZL。对于 INIC，从输入端口看入的阻抗为 LinKIZ1211对于 VNIC，从输入端口看入的阻抗为 Lin ZIUIIU2221若倒过来，把负载
4、ZL 接在输入端口，则有 U1=-I1ZL，从输出端口看入，对于CNIC，有 Lin KIKIZ1112对于 VNIC，有 Lin ZKIUIKIUZ212122 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。3. 实验电路图1. 测定负阻抗变换器的伏安特性。仿真电路图 (为方便起见，由仿真于芯片不上电亦可，图中芯片未加电源)2. 由负阻抗变换器可以构成一个具有负内阻的电压源仿真电路图3. 在传统实验研究 R、L、C 串联电路的方波响应时，由于实际电感元件本身存在直流电阻 r,因此响应只能观察到过阻尼（R 0） ，临界阻尼（R=CL20）及欠阻尼（02
5、k,出现过阻尼现象，波形如下图 1 所示；当 R4=3.5 k，R3=3k 时，回路总电阻 R=R4-R32 k，出现欠阻尼现象，波形如下图 2 所示；当 R3= R4=3 k 时，回路总电阻 R=R4-R3=0，无阻尼等幅振荡，波形如下图 3 所示；当 R4=2k，R3=3k 时，回路总电阻 R=R4-R30 ，出现负阻尼发散震荡，波形如下图 4 所示。图 1图 2图 3图 44. 详细实验步骤及实验结果数据记录测定负阻抗变换器的伏安特性.R3/ 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2000U/V 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3I/mA
6、-10.0 -6.002 -4.288 -3.335 -2.728 -2.309 -2.001 -1.766 -1.580 -1.501R 测/-300 -500 -700 -900 -1100 -1300 -1500 -1700 -1900 -2000由测量数据知，测量量与理论值非常吻合.由负阻抗变换器可以构成一个具有负内阻的电压实验测得数据：R4/ 500 600 700 800 1000 1500 2000 3000 5000U/V 3.748 3.597 3.496 3.427 3.335 3.208 3.135 3.100 3.059I/mA 7.500 6.005 5.001 4.
7、281 3.335 2.142 1.576 1.030 0.610利用 Excel 可以做出其曲线图如下图所示：从图中可以看出，带负内阻电压源的输出电压随输出电流的增加而增加。由此我们还可以得到启发：可以利用负阻抗变换器产生的负阻抗来抵消电流表（电压表）的内阻抗以实现精密测量。实验 3在实验中利用示波器所得到的波形与仿真大致相同，说明仿真成立.7.实验结论1 了解到负阻抗变换器的伏安特性曲线，与电阻的伏安特性曲线大致相同.2 带负内阻电压源的输出电压随输出电流的增加而增加。3 利用具有负电阻的方波电源作为激励，由于电源的负电阻可以和电感器的电阻相抵消，相应类型还可以出现 R、L、C、串联回路总
8、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震荡.（二）回转器1. 实验目的1.了解回转器原理.2.利用回转器将电容回转成模拟纯电感.2. 总体设计方案1.回转器的原理回转器是一种二端口网络元件，可以用含晶体管或运算放大器的电路来实现。理想回转器的电路符号如图 1 所示，图中箭头表示回转方向。在图示方向下，理想回转器的端口的伏安关系为 ； 或 ； 式中2gui1i2riu1rig 和 r 表示回转器的回转电导和回转电阻，是表示回转器的特性参数。此二式表明，回转器具有把一个端口的电压（或电流） “回转”成另一端口的电流（或电压）的能力。回转器不仅可以使两个端口的电流和电压互相回转，而且还具
9、有回转阻抗的性能如图 2 所示若在回转器的输出端口 接有复阻抗 Z，在图示参考方向的正弦激励作用下，从输入端口看进去的等效复阻抗(输入阻抗) 式中 为负载的复阻抗显然，LZgUIgIUZ2221 1)(1)( L当负载阻抗 为电容性时，输入阻抗 将为电感性若在输出端口接一L 1电容元件 C，则从输入端口看，相当于一个电感元件 L 且式中jwLcgjZgL2221 12gc图 1 图 23. 实验电路图回转器可以由晶体管或运算放大器等有源器件构成。下图使用两个运算放大器来实现的回转器电路。根据运算放大器的输入端“虚断” ，有节点电压法A、B、D、E 节点电压方程1. 1214)42( iuRuR
10、C2. 037B3. 61)61( FCD4. 21254)541( iuRuRF根据运算放大器输入端的“虚短” ，有 ， ,则联立求解上述方程组Bu12D可得 , (R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=1k)，即12i1i 1301SRg1. 将负载电容“回转”成一个电感量为 0.11H 的模拟电感。根据前面的计算有 L=C/ ,取上个计算的 值，则要使2g-13S0.1理gL=0.11H，C=0.11F 本实验使用示波器来观察电流和电压的相位差来判断是否回转成功，则需要在输入端串联一个采样电阻以获得电流波形，仿真电路图如下所示如下图 1 示，取采样电阻 R8=1000,图 1 的理论等效电路图如下图2 示，图 1 图 22.用模拟的电感做可以组成一个 R、L、C 并联谐振电路仿真电路图：4.仪器设备名称、型号1.EEL69 模拟、数字电子技术实验箱 一台2.集成运算放大器实验插板 一块3.直流稳压电源 一台4.ua741 芯片 两片5.示波器 一台
