南理工Multisim实验报告旋转器设计论文.docx
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南理工Multisim实验报告旋转器设计论文
XX理工大学
Multisim仿真实验
论文
XX:
学号:
学院:
专业:
题目:
旋转器设计
运算放大器电路应用〔二〕
——旋转器设计
摘要:
旋转器是运算放大器的重要应用之一。
它以运算放大器为根底,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。
而且可以根据需要设定元件参数,确定旋转角。
本文介绍如何使用运算放大器构成负阻抗变换器,并利用负阻抗变换器构成一个旋转角θ,定标系数R=1kΩ的旋转器,使用Multisim实现对实验的仿真。
关键词:
电路设计运算放大器负阻抗变换器旋转器Multism11电路仿真
引言:
旋转器可以将线性或非线性元件在u-i平面上旋转一个角度,产生新的电路元件。
本实验将通过运算放大器,电路等知识,设计一个旋转角为θ=-15度~-85度,顺时针旋转,定标系数R=1KΩ的旋转器电路。
并采用Multisisim11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〞,查看是否“旋转〞了设计的角度。
正文:
I.旋转器电路原理:
旋转器符号如图1所示,可以将线性或者非线性元件在u—i平面旋转一个角度,产生新的电路元件。
旋转器“旋转前后如图2所示。
图1旋转器符号
设曲线U1端上的任一点P的坐标为
,离原点距离为r,那么有:
(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,那么〔3〕式成为:
〔4〕
在〔4〕式中定义
,因此有T参数方程:
〔5〕
用T形网络的旋转器来实现〔如图3〕,对应T参数的3个电阻是
(6)
图3T形电阻网络旋转器
因此有
〔7〕
其中R为定标系数。
由于定义了旋转逆时针为+θ角,对于旋转顺时针即为-θ角,故在顺时针旋转时,式7中的R3为负电阻,图3就可以实现旋转器的功能。
因此,设计时主要的就是要将电阻通过转换器转变为负电阻。
设计旋转器也就转化成设计负电阻转换器,参考?
电路?
P99,一个运算放大器、三个电阻和一个电压源即可设计负电阻,负电阻转换器的电路图如下:
运算放大器输出端电压
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:
。
参加负阻抗转换器之后可以将R3转换成-R3,以满足R3为负阻抗的要求,实现整体电路的设计。
II.实验内容:
取旋转角θ为-70度,R=1kΩ。
代入式
进展计算得
R1=R2=700Ω,R3=-1064Ω。
由负电阻电路及原理,可设计出R4=R5=50Ω,R6=1064Ω的电路。
综上所述,可作出旋转器电路图,在Multisim11中连接图如下列图所示:
III.加负载进展测试及仿真分析:
1.取RL=1kΩ的电阻作为负载,按0V到8V区间改变电源电压,读取电压表电流表读数,绘制伏安特性曲线图,测算旋转前后的伏安特性的旋转角。
在Multisim11中仿真电路如下列图所示:
其中,U1,I1分别为旋转前的电压电容,U2,I2分别为旋转后的电压电容。
得到的数据如下列图所示。
θ=θ1-θ2≈-70°,误差<0.1%。
符合预期结果。
下列图为由上表所绘制的线性负载伏安特性曲线图。
2.取RL=1kΩ的电阻作为负载,按0V到8V区间改变电源电压,读取电压表电流表读数,绘制伏安特性曲线图,测算旋转前后的伏安特性的旋转角。
在Multisim11中仿真电路如下列图所示:
依照对线性负载测试处理方法,同样,可以得到如下的数据表:
θ=θ1-θ2≈-70°,误差<0.1%。
符合预期结果。
下列图为由上表所绘制的线性负载伏安特性曲线图。
结论:
根据实验数据可以得出,本实验所设计的旋转器满足旋转角θ=70°,定标系数R=1kΩ的实验要求。
在设计旋转器时,应从表达式入手,着眼旋转角和定标系数的要求,由构造到参数逐步分析设计电路。
其中对于负电阻电路的设计为本次实验的难点,对于实验的成败起重要作用。
在改变输入电压,测量负载伏安特性曲线时,假设参数设置不当,那么会导致在输入电压较大时,数据结果产生偏差,导致旋转角产生突变而偏离理论值。
而在取值适宜的情况下,不难发现,电压越大,测算值与理论值的误差越小,旋转角越接近于-70°,通过查阅相关资料并实验测量发现,负阻抗变换器构成的负电阻也是呈电压越大电阻越接近的关系,正是这个原因,使得旋转器有了上述特性。
在进展非线性负载测试时,应当考虑二极管的工作范围,选取适宜的二极管,并在一定输入电压的范围内进展实验,才能得到预期结果。
从曲线中不难发现,在电压较小时,负载端电流变化不大,在电压增大到一定程度时,伏安特性为一条直线,可知二极管的开启电压约为0.7V,这与模拟电子电路中二极管的特性知识相吻合。
致谢:
通过本次实验中,我稳固了电路,模拟电子电路等课程的相关知识,掌握了Multisim等软件的初步使用方法,对旋转器的原理与构造有了更深刻的理解,提高了动手实验能力,成果的实现与李竹、硕力更等教师的悉心指导与帮助密不可分。
在此对帮助过我的人表示衷心的感谢!
参考文献:
[1]马鑫金?
电工仪表与电路实验技术?
:
机械工业,2021.
[2]黄锦安?
电路?
:
机械工业,2003.
[3](美)伯林(Berlin,H.M.)?
运算放大器电路设计与实验?
:
科学,1987.
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