电工电子综合实验

-1.423
13.559
-4.283
12.844
3K
-1.249
13.741
-4.285
12.849
数据分析：从数据可以看出，当R4大于85Ω时，电路中的电压和电流开始明显增大，出现不稳定，当R4=1K时，求出K=2；当R4继续增大时，电路中U2≠U1，并且k值也偏离理论值，说明电路处在非正常工作状态下。所以可以得出在输入端口只能接低电阻，即电路满足短路稳定。
-2.338
10.007
2.341
-4.914
1000
-1.636
10.005
1.640
-4.916
1200
-1.364
10.004
1.368
-4.916
数据分析：可以发现，当R3/R4值较小时，电压电流值有明显变化，而当R3/R4值较大时，电路可以得到稳定的电压，所以为保证VNIC电路能够正常稳定工作，负载端只能接高阻值负载，而输入端只容许接低电阻。本电路利用R3与R4的比值，同时验证了VNIC的开路稳定和短路稳定性质。
4.回转器的研究：
1.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1-14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g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，而且还具有回转阻抗的性能．如图1-15所示若在回转器的输出端口②② 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①①看进去的等效复阻抗(输入阻抗)
3.关于VNIC的OCS和SCS的研究：与INIC相同原理，本实验直接在VNIC的负载端和输入端分别接上可变电阻R3和低电阻R4=3Ω，调节R3阻值，观察电路的电压和电流，验证VNIC电路的OCS和SCS性质。仿真电路如下：
数据表格记录：
R3/R4
I1/mA
U2/V
I2/mA
U2/V
1
-836
12.509
70
10.000
-5.048
1.848
-26
150
10.000
-5.040
3.472
-23
250
10.000
-5.034
5.012
-20
500
10.000
-5.016
7.509
-15
1K
10.000
-4.971
9.946
-9.946
1.05K
10.000
-4.757
10.000
-9.523
1.1K
10.000
（2）关于INIC的SCS研究：在负载端接入高电阻，使INIC正常工作；在输入端接入电阻R4，R4为可变电阻，调节R4，观察电路中电压电流变化。仿真电路如下：
数据记录表格：
R4/Ω
I1/mA
U1/V
I2/mA
U2/V
3
-1.666
10.005
-3.336
10.005
10
-1.668
10.017
-3.340
根据运算放大器输入端的“虚短”，有 ， ,则联立求解上述方程组可得 , (R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=1kΩ)，即
图1-16回转器
3.测量回转参数g，电路各电阻参数如图所示，仿真电路如下：
数据表格记录：
U1/V
I1/mA
U2/V
I2/mA
测算值g/
2.000
2.000
-2.000
-2.000
对于INIC，有U1=U2，I1= 式中K1为正的实常数，称为电流增益。对于VNIC，有U1= U2,I1= 式中K2是正的实常数，称为电压增益。所以可以得到INIC和VNIC的T参数分别为 和 ；对应的矩阵关系分别为：INIC下[ ]= [ ];VNIC下[ ]= [ ]。若在NIC的输出端口2—2’接上负载ZL，则有U2= -I2ZL。对于INIC，从输入端口看入的阻抗为
2.关于INIC的OCS和SCS的研究：
（1）关于INIC的OCS的研究：改变负载的阻值，观察电压与电流的变化，并测算出电路正常工作下的k值，与理论值对比。本实验中，R1=1K,R2=500Ω，R3为负载，阻值可变，则K的理论值为2。仿真电路图如下：
数据记录表格：
R3/Ω
U1/V
I1/mA
U2/V
I2/mA
式中 为负载的复阻抗．显然，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②②接一电容元件C，则从输入端口①①看，相当于一个电感元件L 且 式中
图1-14 图1-15
2.回转器可以由晶体管或运算放大器等有源器件构成。图1-16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
对于VNIC，从输入端口看入的阻抗为
若倒过来，把负载ZL接在输入端口，则有U1=-I1ZL，从输出端口看入，对于INIC，有
对于VNIC，有
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。用运算放大器实现负阻抗变换器可如下图所示（参数可变）：
以上是电流反相型负阻抗变换器的运放实现形式，运算放大器输出端电压 再根据理想运算放大器，同相输入端“＋”和反相输入端“－”之间的“虚短”特性，可得 ,即 , 根据“虚断”特性，可得 ，带入上式可得 。根据负载 上的端电压和电流的参考方向，有 ，因此从输入端 看入的输入阻抗有 。因此， 端的负载阻抗 通过负阻抗变换器，在 端可等效为负阻抗（－ ），即从输入端的特性而言，上述端口相当于一个负阻抗元件。例如，当负载为电阻R，则从输入端看入，相当于一个负电阻（-R）。
致谢：经过这次对从仿真实验到论文的撰写这一过程，使我受益匪浅。在这里，我由衷的感谢学长学姐对我的经验传授，还有我在仿真过程中遇到困难时对我提供帮助的同学。他们的帮助使我能够在这一过程中始终保持明确的前进方向。
参考文献：
【1】马鑫金.《电工仪表与电路实验技术》（第二版）机械工业出版社 2010
【2】黄锦安.《电路》（第二版） 机械工业出版社 2012
836
-2.509
10
-151
10.452
151
-4.523
50
-Байду номын сангаас2
10.097
32
-4.846
100
-16
10.049
16
-4.884
200
-8.168
10.024
8.171
-4.902
350
-4.672
10.014
4.675
-4.910
500
-3.272
10.010
3.276
-4.913
700
-3.636
10.909
600
-1.853
11.111
-3.704
11.111
700
-1.886
11.320
-3.775
11.320
1K
-2.000
11.998
-4.000
11.998
1.5K
-1.977
12.967
-4.270
12.810
1.8K
-1.775
13.195
-4.277
12.829
2.5K
-4.544
10.000
-9.091
1.4K
10.000
-3.572
10.000
-7.143
2K
10.000
-2.498
10.000
-4.999
3K
10.000
-1.666
10.000
-3.334
数据分析：从数据可知，当R3<1.05K时，U2≠U1，即INIC不能正常工作，当R3较大时，INIC才可以正常工作，得到稳定的电压。因此，为保证INIC正常工作，负载端只能接高阻负载，即开路稳定。并且当电路正常工作是K=U2/U1=2，与理论值相符。
电工电子综合实验
论文
——负阻抗变换器和回转器的设计
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学院：
负阻抗变换器和回转器的设计
摘要
负阻抗变换器(NIC)是一种二端口器件，是电路理论中的一个重要的基本概念，在工程实践中也有广泛的应用。本文用运算放大器设计一个负阻抗变换器电路，用T参数研究其端口关系，推导并讨论电流反相型负阻抗变化器(INIC)和电压反相型负阻抗变换器(VNIC)的不同矩阵关系；研究INIC和VNIC接法的开路稳定(OCS)及短路稳定(SCS)性。同时用运算放大器设计一个回转器电路，推导其基本方程；测量器回转参数g，验证其满足基本方程；将负载电容“回转”成一个电感量为0.1～1H的模拟纯电感，用实验的方法验证该模拟量的电感特性及电感量准确性，并与理论值对比。
10.017
25
-1.673
10.042
-3.348
10.042
40
-1.679
10.067
-3.356
10.067
85
-1.691
10.144
-3.382
10.144
120
-1.702
10.204
-3.402
10.204
250
-1.737
10.435
-3.478
10.435
500
-1.817
10.909
关键词：负阻抗变换器回转器 运算放大器Multisim仿真
引言：负阻抗变换器的应用越发广泛，研究其性能具有重要的意义。本文在前人的经验下，通过运用运算放大器实现电路，对INIC和VNIC以及回转器进行研究。
正文：
1.负阻抗变换器原理：负阻抗变换器是一种二端口网络，通常，把一端口处的U1和I1称为输入电压和输入电流，而把另一端口处的U2和-I2称为输出电压和输出电流。U1、I1和U2、I2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，负阻抗变换器可分为电流反相型(INIC)和电压反相型(VNIC)两种，电路图分别如下图的（a）（b）所示：
-1.0×
数据分析：由测算出来的g与理论值十分符合，故设计可行。
5.关于将电容回转成电感的研究：根据前面的计算有L=C/ ,取上个实验的 值，则要使L=0.1～1H，C=0.1～1μF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，本实验采用C=1µF，将其回转成电感，L=1H，取采样电阻R8=1000Ω,仿真电路图如下所示：
【3】《负阻抗变换器和回转器的设计》 百度文库
观察电压与反向电流的波形，波形如下：
电路的理论等效电路如下：
观察等效电路的电压电流变化，波形如下：
比较两图，发现图形几乎一致，说明模拟成功，电容通过回转器会转为一个电感，而且还是一个较好的纯电感，并且等效电路中的电感的参数L=1H，与理论值相符。
结论：本实验通过运算放大器实现负阻抗变换器以及回转器，利用Multisim软件对电路进行仿真，以验证实验的准确性。研究并讨论了NIC电路的OCS和SCS性质，以及回转器的运用，而回转器能回转阻抗的特性在工程上意义重大，因为在微电子器件中电感易于集成，而电感却难以集成，利用回转起来模拟电感是解决这个问题的重要途径。