1、實驗五 負阻抗變換器的研究一、實驗目的1 了解負阻抗變換器的原理及其運放實現。2 通過負阻器加深對負電阻(阻抗)特性的認識,掌握對含有負阻的電路的分析測量方法。二、實驗原理負阻抗變換器(NIC)是一種二端口器件，如圖51所示。圖51通常，把端口11處的U1和I1稱為輸入電壓和輸入電流，而把端口22處的U2和-I2稱為輸出電壓和輸出電流。U1、I1和U2、I2的指定參考方向如圖51中所示。根據輸入電壓和電流與輸出電壓和電流的相互關系，負阻抗變換器可分為電流反向型(CNIC)和電壓反向型(VNIC)兩種，對于CNIC，有U1 =U2 I1=( )（）式中K1為正的實常數，稱為電流增益。由上式可見，

2、輸出電壓與輸入電壓相同，但實際輸出電流-I2不僅大小與輸入電流I1不同(為I1的1/ K1倍)而且方向也相反。換言之，當輸入電流的實際方向與它的參考方向一致時，輸出電流的實際方向與它的參考方向相反(即和I2的參考方向相同)。對于VNIC，有U1= U2 I1 = 式中K2是正的實常數，稱為電壓增益。由上式可見，輸出電流-I2與輸入電流I1相同，但輸出電壓U2不僅大小與輸入電壓U1不同(為U1的1/K2倍)而且方向也相反。若在NIC的輸出端口22接上負載ZL，則有U2= -I2ZL。對于CNIC，從輸入端口11看入的阻抗為對于VNIC，從輸入端口11看入的阻抗為若倒過來，把負載ZL接在輸入端口1

3、1，則有U1=-I1ZL，從輸出端口22看入，對于CNIC，有對于VNIC，有綜上所述，NIC是這樣一種二端口器件，它把接在一個端口的阻抗變換成另一端口的負阻抗。 NIC可用受控源來實現，圖52（a）和（b）分別給出了實現CNIC和VNIC的原理圖。（a） (b)圖52實用上通常采用運算放大器來實現NIC。本實驗所用的CNIC即由線性集成運算放大器(HA17741型)構成，在一定的電壓、電流范圍內具有良好的線性度，其原理電路如圖53所示。圖53我們把選用的運算放大器作為理想運算放大器來處理，則根據理想運算放大器的以下性質：(1) 電壓放大倍數A，即運算放大器的同相、反相兩個輸入端如果不是直接接

4、在理想電壓源（或受控電壓源），則兩個輸入端的電壓相等（虛短路）。(2) 輸入阻抗Zi ,即電入兩個輸入端的電流為零。應有=U2，I3Z1= I4Z2 ，I1=I3和I2=I4，因此，得I1Z1=I2Z2式中，K1=Z2/Z1為電流增益。輸入端口11看入的阻抗為本實驗中，取Z1=R1=1K，Z2=R2=300，得當ZL=RL時當時其中，當ZL=jL時，其中，C=三、實驗內容1 測量負電阻的伏安特性，計算電流增益K1及等值負阻圖54(1) 接通電源，檢查15V電壓，當電源接入正常時方可進行實驗。(2) 按圖54接線。(3) 調節電阻箱使負載電阻RL=500。(4) CNIC零點失調電壓測量。輸入短

5、路，用數字萬用表測量R1上的電壓UR1，記下UR1值，若過大則數據處理時要進行修正。(5) 改變穩壓源輸出電壓為正、負不同值時分別測量U1及UR1 記入表1。(6) RL=1K，重復上述實驗，數據表格自行設計。由前面可知，流入運算放大器輸入端的電流為零，故I1全部流過R1因此I1可由式算出。注意UR1的參考方向，當UR1的實際方向與參考方向相反時，測得的UR1讀數為負，則I1也為負值，即I1的實際方向與參考方向相反。表1 RL500U1(V) 321-1-2-3UR1(V) I1= UR1/ R1(mA) R-= U1/ I1（）計算負電阻的平均值，負電阻的理論計算值表2 誤差計算列表如下：R

6、L() () ()R_= ()(R_)×100%5001000(7) 注意事項a CNIC的輸入電壓絕對值½U1½<3(V)，輸入電流絕對值½I1½<3(mA)。b 本實驗也可采用正弦交流信號源。但應注意信號源內阻RS<8，因CNIC的11端口為短路穩定端口，過高的信號源內阻會使CNIC不穩定。若RS超過8，則可在信號源輸出端口并聯一個電阻箱調節電阻箱的阻值使等值輸出電阻小于8。應該指出，并聯電阻將使信號源輸出電壓降低，當信號源內阻RS較大時，尤為嚴重，這一點要特別注意。2測定負內阻電壓源的外特性(1) 按圖55接線。若穩壓電

7、源的內阻近似為零，則11端口的左邊部分相當于電源電壓為Us內阻為Rs+的有源二端網絡(為的熔斷絲電阻)。根據CNIC的性質，22端口的左邊電路也等效于一個有源二端網絡，而且等效電源電壓仍為Us，等效內阻為負電阻。圖55換言之，22端口的左邊電路就是一個具有負內阻的電壓源。按照圖55所示的電壓、電流參考方向，有U2=U1=UsI1(Rs+Rf1) 而 I1 =K1 I2，得上式的等效電路如圖56（a）所示。(a) (b) 圖56 通常，規定電源支路的電流參考方向與電壓參考方向相反因此取I2= I2，則上式的等效電路如圖56(b)所示。此時，負載RL上的電流參考方向就和電壓參考方向一致了。(2)

8、固定Us=1V，Rs=500。改變RL取0范圍內不同值時分別測量U2及U記入表4。由公式，算出電流I2(Rf2為的熔絲電阻)，并繪出負內阻電壓源的實測外特性曲線和理論計算的外特性曲線U2=f(I2)。(3) 注意事項：，負內阻電壓源可能不穩定，Us變成負載被充電。解決辦法之一是迅速測量在時的U2及U。表4 US=1V RS=500RL()010050KU2(V)U(V)（mA）3負阻振蕩器 在分析二階電路時可知，若RLC串聯電路的電阻R<，則該電路的沖激響應為衰減振蕩。如果在電路中串聯一個負電阻R_，則當R+R_=0時，電路的沖激響應為等幅振蕩；當R+R_<0時，電路的沖激響應為增

9、幅振蕩。根據這一原理便可方便地構成負阻振蕩器。(1) 按圖57接線。逐步增大Rs，使電路總電阻為負值，借助于電路中的微小擾動便可建立振蕩。由于負阻的作用振蕩振幅逐漸增大，當振蕩幅度達到所需值時，可減小Rs使電路總電阻為零以維持等幅振蕩。如不減小Rs，則振蕩振幅將一直增大至運算放大器輸出達到非線性為止。(2) 為了維持等幅振蕩，必須嚴格使電路總電阻為零。即使如此，由于電路中總是存在某些擾動，等幅振蕩也很難長久穩定。所以，在實用的負阻振蕩器中，一般都設有幅度負反饋電路，使電路中的正電阻(或負電阻)隨振蕩振幅的增大而增大(或減小)。實驗中可以用一個40W日光燈鎮流器(鐵芯線圈)替換電路中的電感L，利

10、用鐵芯線圈中等值損耗電阻(由鐵芯的磁滯損耗及渦流損耗所造成)與線圈中振蕩電流的非線性關系(振蕩電流幅度越大，等值損耗電阻越大)來穩定振蕩。當RS增加時，振蕩振幅隨之增加，但損耗電阻也將增加，振蕩在新的幅度下達到平衡。若RS不變，由于擾動使振蕩振幅增加時，損耗電阻增加使振蕩振幅回到原來平衡點。 圖57(3) 實驗中要求調節使電路發生等幅振蕩，記下的值（精確到個位）。為了增加精確度，可以從不振蕩到剛開始建立穩定的振蕩波形記錄一次，再從有振蕩波形到無振蕩波形記錄一次，然后求平均。同時測出振蕩頻率和輸出的峰峰值。4阻抗變換 在CNIC輸出端口22上接電容C，則從輸入端口11看入的等效阻抗為可見等效阻抗

11、呈電感性，等效電感Leg為式中為CNIC的電流增益。(1) 按圖58接線。將函數發生器選定為正弦波輸出，調節函數發生器輸出電壓，使U11V。改變函數發生器正弦輸出頻率f，當f取為200HZ900HZ范圍內不同值時分別測量U1及UR1 記入表5。應該指出，若信號源內阻RS超過8，可能產生高頻振蕩，可在信號源輸出端并聯一個電阻箱調節電阻箱的阻值使等值輸出電阻小于8。 圖58(2) 用雙蹤示波器觀察U1、I1的相位關系。從圖58接線可知，實際觀察的是U1及I1的波形和相位關系。表f(Hz)2003004005006007008009001(V)R1(V)I1= UR1/ R1(mA)Ieg= U1/

12、 R1(mA)5負電阻與正電阻的串并聯連接 負電阻與正電阻串并聯時的等效電阻的計算公式與只含有正電阻時的計算公式相同。當電路為線性定常電路時，對于串聯連接，等效電阻為Reg=對于并聯連接，等效電阻為Reg= 其中，n、m分別為負電阻，正電阻的數目。圖59(1) 按圖59接線。從接線圖可知，CNIC輸出端口22所接的負載電阻RL=R7+Rf2=300+,為的熔斷絲電阻可用數字萬用表測出。從輸入端口11看入的負電阻=(300+)，約為K左右。(2) 調節穩壓電源使輸出電壓約為1伏，將串聯電阻由零逐步增加為不同值時，分別測量電壓、U1及UR1。注意：當由零增加時，由于負電阻被正電阻逐漸相消，等效電阻

13、，越來越小，輸入電流I1將越來越大。為了使CNIC能正常工作，必須保證I1不超過3mA，必要時應隨時降低穩壓電源的輸出電壓。此外，CNIC的11端口 為短路穩定端口，不宜過大，一般可使500。(3) 固定=500，在11端口并聯一個電阻箱()，當為不同值時，分別測量U1、U及UR1。注意：此時電流為總輸入電流I，應在 電阻R串上測量電壓U。由公式I=U算出總電流I 。串聯連接：R串() Ui(V)U1(V)UR1(V)I1= UR1/ R1(mA) R-= U1/ I1（）0100300500續： 并聯連接U(V)U1(V)UR1(V)續： 四、實驗思考題1. 測量負電阻的伏安特性時，能否采用正弦交流信號來做，應該使用哪些儀器？并畫出接線圖，2. 正電阻和負電阻都是二端元件，兩者有何不同？3. 戴維南定理是否適用于含負電阻的有源單口？4. 從負阻抗變換角度看,22 端口接正電容,從11 端口看進去為負電容，如果22端口接正電感，11端口看進去為負電感。從示波器觀察相位關系時發現負電容即為正電感，那么負電感應當是正電容，這