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,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 ；I1=( )（）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-I2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 = 式中K2是正的实常数，称为电压增益。由上式可见，输出电流-I2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CNIC，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。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（R0），临界阻尼（R=0）及欠阻尼（0R2 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.R3/300500700900110013001500170019002000U/V3333333333I/mA-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：R4/50060070080010001500200030005000U/V3.7483.5973.4963.4273.3353.2083.1353.1003.059I/mA7.5006.0055.0014.2813.3352.1421.5761.0300.610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，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 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1.2.3.4.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=1k)，即1. 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L=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5.理论分析或仿真分析结果将负载电容“回转”成一个电感量为0.11H的模拟电感。观察电压与反向电流的波形如下图（分实际电路与等效电路） 实际电路 等效电路用模拟的电感做可以组成一个R、L、C并联谐振电路等效电路图如下图所示其中，由所学知识知并联电路的幅频特性为当电源角频率时，电路发生并联谐振，电路导纳为纯电导G，支路端电压与激励电流同相位，其中品质因数。在L和C为定值的情况下，Q仅由电导G的大小决定。 若保持仿真电路图中电压源的电压值不变，则谐振时激励电流最小，若用电流源作为激励，则电源两端的电压最大（本实验采用电压源作为激励）。测量不同Q值时的激励电流与电压源的频率的关系，记录实验数据，并利用Excel做出I-f的曲线图。6.详细实验步骤及实验结果数据记录将负载电容“回转”成一个电感量为0.11H的模拟电感。运用示波器观察与运用仿真所得效果形同。比较两波形图可知，两波形图几乎一致，则模拟成功。回转器能回转阻抗的特性在